牛顿都有哪些成就?

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牛顿都有哪些成就?插图

牛顿,这个流芳千古的名字是近代科学的象征。现在,让我们追寻历史的足迹,去浏览一下这位伟人为人类建筑的科学大厦。

牛顿都有哪些成就?插图(1)

1642年圣诞节的早晨,在英国北部偏僻的伍耳索浦村的一户农民家里,有个早产儿呱呱坠地了。说来也巧,这一年正是物理学大师伽利略去世的一年。这个婴儿的父亲在他未出娘胎时就去世了,为了纪念孩子的亡父,母亲就用他父亲的名字-伊萨克。

牛顿来称呼他。小牛顿未满2岁,母亲迫于生计,改嫁给一个牧师,就把牛顿留给舅舅和外祖母来抚养。上学后,这个苦命的孩子,天资并不聪明,加上胆子小,所以成绩平平。每当老师数落那些功课不好的学生时,总有他的份。不过小牛顿却有他手巧的特长,他自己喜欢动手做各种各样的玩意儿,从简单的风筝、风车、日界、漏壶,一直到一些复杂的小机械。他的精巧的作品,常常博得邻居和同学的称赞。

牛顿读完小学,升入中学,刚读了一年,继父又死了。母亲只能让牛顿辍学,回村里去种田。但这时的牛顿已经是一个有志向的大孩子了,他对于科学的痴迷,终于打动了母亲,一家人省吃俭用,供他上完了中学。

牛顿都有哪些成就?插图(2)

1661年6月,牛顿以“减费生”的身份考进了剑桥大学。牛顿的学习基础不够好,数学成绩更是跟同学们差了一大截。可是他一点也不气馁,凭着勤奋刻苦的学习精神,奋起直追,三年不到居然名列全班第一。这时,学校里新来了一位名叫巴罗的教授。真是“伯乐识才”,他一下子就喜欢上了这个勤奋好学的年轻人,悉心辅导牛顿攻读欧几里得、开普勒和伽利略等人的著作,这使晚熟的牛顿茅塞顿开,学业突飞猛进。牛顿经常提出一些自然科学和数学方面的问题向他请教,让巴罗教授又惊又喜,他常向别的老师夸牛顿是个可造之材。谁知好景不长,正当牛顿像海绵吸水一样地学习各种知识,并且越来越受到教授们的赏识时,英国发生了一场席卷全国的大瘟疫,光是1665年夏天,伦敦就死了3万人。为了逃避这场可怕的灾难,学校决定停课2年。牛顿挥泪告别了恩师,卷起铺盖回到了老家伍耳索浦村。

这时的牛顿已经是个青年学者了,脑子里装满了天文学、数学和物理学的知识,以及他在大学学习时种种悬而未解的疑难问题。

回到乡间,牛顿不是闭门读书,就是在田野、林间苦思冥想。第一年,他为自己定下的目标是,梳理大学学习时遇到的种种疑难,重点还是探索物体运动的原因,在当时,人们仍然沿用古希腊学者的学说来解释物体的运动。古希腊学者把运动分作三类:地面上的物体运动、落体运动和星体运动。亚里士多德对这三类运动的原因是这样解释的:他说,力是地面上的物体运动的原因;地球是宇宙的中心,所以落体落向地球,这是落体运动的原因;星体由于它们的特殊本性,使它们保持永恒的运动?对于亚里士多德的前两种解释,牛顿知道,伽利略已经作出了否定的结论,那么,亚里士多德对星体运动的解释是不是有道理呢?开普勒已经揭示了行星运行的规律,那么它们为什么要这样运转呢?这是不是亚里士多德说的“特殊本性”呢?对于这些当时谁也无法回答的问题,早在念大学时,牛顿就曾翻遍了图书馆里的天文学图书,他看到的只是一些近乎幻想的说法。例如,开普勒认为星体之间存在着引力,“月球被地球牵引着,相反月球也吸引着地球上的海水。从太阳那里有一只肉眼看不见的巨大的手,伸向行星,拉着这些行星跟太阳一起旋转。”

天体运行难道真是引力的作用吗?如果真是这样,那么引力又是什么呢?

牛顿都有哪些成就?插图(3)

一天晚餐过后,牛顿同往常一样去花园散步。花园里月光如水,落叶满地,他在树下踱着步子。突然,“吧嘴”一声,有个东西跌落在他的脚边。他吃了一惊,蹲下一看,原来是个熟透的苹果被风吹落在地上。牛顿抬起头来,只见夜幕上明月高悬,他不觉寻思起来:苹果熟了会落到地上,它为什么不住天上掉呢?那么天上的月亮为什么又不往地上掉,反而绕着地球转,也不飞走呢?难道这都是地球有一股吸引它们的力吗?

想到这里,牛顿赶紧回到自己的书房,闭门思素起来。一连三天,牛顿没有出门。他把在巴罗老师那里学来的知识都调动起来,又翻出伽利略、开普勒的著作,陷入深思和联想之中。他想:一个人站在山崖上,把一块石头轻轻放开,石头就会照直落到地上;如果把石头抛向远处,石头就会向前“飞”一般再画一个圆弧落到地上;如果他用的力更大,石头就会落得更远;如果有足够大的力量,石头就会不再落到地面上,而围绕地球旋转起来;假如地球没有引力,石头就会朝抛出的方向一直向前飞去。按照这个道理,月球以一定的距离绕地球转动,不就证明了月球总是在向地球下落的缘故吗?这就好比是一个孩子拿着一头拴着石子的绳子甩动着,让小石子在空中转圈一样。地球就是孩子牵着绳子的手,月亮就是小石子,地球对月球的引力就相当于那根绳子了。月球沿轨道绕地球旋转,使它避免落向地球,而地球对月球的引力,使它不能离地球远去,只能永远绕着地球转下去。接着,他又进一步推想:各个行星之所以围绕着太阳旋转,也一定是太阳对它们的吸引力作用的缘故。现在,只要证明地球对月球的吸引力确实就是月亮绕地球运行所需的向心力,那么各种星球间都有相互吸引力的结论就是正确的了。

牛顿觉得要得出这样的证明,仅凭观察是做不到的,而是要在已知材料的基础上,靠数学推导来攻克这样的难题。牛顿立即进行计算,通过严密的数学论证,证实了维持月球绕地球运转的力不是别的,正是地球对月球的吸引力,太阳对地球以及别的行星都存在着这种相互吸引的作用力。牛顿把这种相互吸引的力取名为“万有引力”。由此,他认为古希腊人说的三类运动,实际上受同一规律支配着,天地万物的运动用这一定律就可以概括起来。牛顿找到了表现这一定律的数学公式,即:两个物体间万有引力的大小,和这两个物体质量的乘积成正比,和它们间的距离的平方成反比。就这样,牛顿完成了人类认识自然历史上第一次的理论飞跃,把大千世界中万物的运动,用一个理论来加以解释。牛顿完成了他关于万有引力的论文后,并没有把自己的重大发现发表出来,一则他生性没有强烈的发表欲;二则他生怕论文发表后会引起广泛而又旷日持久的争论–这会耗费他宝贵的精力;三则是因为他谦虚。他觉得像他这样一个二十出头的青年学子,退居乡下,因为看到苹果落地,竞幸运地揭示了宇宙万物运动的奥秘,并不是自己比伽利略、开普勒、笛卡儿等科学巨人有更非凡的才能,而是因为他是站在这些巨人的肩膀上,所以才显得更高。和这些科学巨人相比,牛顿觉得自己只是一个毛头小孩而已。因而他把论文锁在箱子里,直到22年后,在天文学家哈雷的催促下,他才把当年的论文整理后写成《自然哲学的数学原理》这部科学史上“最伟大的杰作”。这部汇集牛顿力学研究成果的巨著,是一座经典力学的宗庙,牛顿力学则是这座宗庙中的主神。一直到20世纪爱因斯坦创立相对论时,它都始终被人们虔诚地尊奉着,没有人能够对它作任何本质性的补充和修正。

在《自然哲学的数学原理》一书中,牛顿系统地阐述了四条力学定律。第一定律是惯性定律,第二定律是落体定律。这两条定律分别是伽利略惯性定律和落体定律的推广、延伸。第三定律是作用与反作用力定律:第四定律是万有引力定律。这两条定律则是开普勒引力思想的发展。特别是他的万有引力定律不仅成功地解释了开普勒定律,科学地表述了太阳系行星、卫星、彗星的运动理论,解释了潮汐现象等一系列长期困扰人们的难题,而且运用牛顿的天体力学理论可以准确预见行星的运动。1846年,海王星的发现,就是根据牛顿力学的计算结果找到的。

一个落地的苹果,居然让牛顿带领人类进入了一个科学的新世纪,难怪这棵在牛顿老家的苹果树要被当做英国国宝而精心保护起来了。1820年,这棵树终于寿终正寝。它被分成几段,分别由英国皇家学会、牛顿故居等处保存起来,让参观的人们睹物生情,缅怀牛顿的不朽功绩。

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