艾萨克·牛顿—

艾萨克·牛顿1643—1727

理论物理学的创始人

■艾萨克·牛顿，铜版画1829年，威廉·托马斯·弗莱伊（1789—1843） 。伊曼努尔·康德1792年在给雅各布·西吉斯蒙德·贝克的信中曾说；“在说出上帝的名字前，牛顿总要屏息静气沉思一番。”

伊斯兰教有《古兰经》，基督教有《圣经》，物理界有牛顿的《自然哲学的数学原理》，人们这样来比喻这部在科学史上备受推崇的划时代巨著。牛顿只用了半年时间就写成了这本给后人带来深远影响的巨著，它于1687年印刷出版。《自然哲学的数学原理》一书在内容和形式上为始于伽利略并经开普勒进一步发展的新运动学奠定了坚实的基石，在这本著作里，牛顿对引力作用理论作了全面的阐述。对地球引力还没有任何概念的伽利略曾做过自由落体（即物体在地球引力下运动）的试验，并提出了运动的相对性理论：物体无论是下落到坚硬的地面还是下落到行驶的船中（或其他任何运动中的系统），其效果对于（跟着运动的）观察者来讲都是一样的。开普勒发现了行星轨道的确切形式和行星环绕时间与环绕轨道直径之间的关系。法国自然哲学家笛卡儿对惯性定律做出了描述：一个没有外力作用的物体将保持其原有的静止状态，一旦物体受力后开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外力造成阻碍或偏离为止。这一运动原理我们几乎每天都能在自己的身体上体会到，驾驶员在急刹车时就会发现自己的身体在以刹车前最后一刻车辆原有的速度向前运动，只有安全带的力量或挡风玻璃的力量（在糟糕的情况下）才能改变原来运动的状态。

■牛顿的自然哲学统治了他那个时代，即使到了20世纪，它仍被人们捧为神圣的信条。李比希肉类萃取公司的宣传画

根据惯性原理，牛顿认为物体的非直线运动肯定是受外力作用所致。行星和月球等天体提供了最佳的直观材料，它们的运行轨道也因开普勒的发现为人们所了解。牛顿第一次推导出了这种外力的形式，他发现，物体相互间有引力，这种引力与物体间距离的平方成反比，与两个物体质量的乘积成正比。牛顿在学术上最强硬的对手胡克虽然也猜想到了这一距离定律，但无法对此加以论证。一种无需任何接触就可随时随地超距作用的力的设想在当时对大多数人来讲是不可思议的。牛顿因此进入了一个崭新的世界，他发现这种引力是万有的：这种力可使苹果落地也可使月球围绕地球转动。

把研究自然科学作为对上帝的尊敬

不管是作为炼金术士还是作为自然科学的研究者，牛顿都与开普勒一样，试图通过自然科学的研究让人们看到上帝制定的自然规律。在《原理》的前言中他写道：“上帝是永恒的，上帝无处不在。正因为他无时无处不在，才创造了永恒和宇宙。上帝掌控万物并使万物运动。”

牛顿用来计算物体运动和物体之间引力的数学工具也许是他带给人类的更大贡献，他把这种现代解析几何或微积分的前身称为“流数术”。牛顿第一次引入了质点计算法，并以此来计算最大的物体。

■牛顿在给他的学生讲解光谱颜色的形成过程。着色铜版画，1783年，克里斯蒂安·戈特利布·盖泽尔

也许是受贫寒艰苦的童年生活的影响，牛顿自幼沉默寡言，性格倔犟，不愿与人公开争论。他的许多研究成果都在数年后才得以发表，估计他这样做是为了保护自己免遭攻击。牛顿不但以万有引力理论赢得了名望和声誉，他的光学理论也对人类做出了巨大的贡献。他首次提出白光（特别是太阳光）是由各种不同颜色的光合成的观点，并以实验和理论证明了这种假说，他认为光是由细小的微粒所组成的。在当时，以惠更斯为代表的光的波动理论虽然能更合理地解释光的折射现象（例如折射使合成的光在一个棱镜中分解为几种颜色的光谱带的现象），但鉴于牛顿当时在社会上的声誉，牛顿的光的微粒理论在以后的一百年中一直占有统治地位。借助对光折射的新认知，牛顿对望远镜作了改进，为了避免光在透镜边缘产生色差，牛顿设计了第一架反射式望远镜，并因此成为了英国皇家学会的会员。

牛顿对声速的确定和计算也有一定的研究。在声速的研究方面他对数据的处理相当轻率随意，这在当时那个年代也是很少见的。为了证明自己的理论计算，他不惜篡改测量的数据，而当其他科学家测出不同的声速数据时，他又会更改他的理论计算数据。假如是在今天，牛顿的这种做法显然违背了公认的科学研究标准，他自己也会被视为造假者而受到世人的鄙视。在当时，他的这种做法最多也就被认为是“绅士的瑕疵”，甚至会被看作是科学巨匠的风格。

■牛顿在剑桥三一学院的办公桌，桌上放着他用过的对数计算尺、罗盘、三棱镜和他的一些手稿

虚荣代替了道德

在与德国全才学者威廉·冯·莱布尼茨争夺微积分发明权时，牛顿采用了不道德的手段，他指责莱布尼茨剽窃了他的计算方法。当莱布尼茨因此事投诉英国皇家学会时，作为皇家学会主席的牛顿组成了一个调查委员会，并亲自为该调查委员会挑选成员，调查委员会的最终调查报告也出自他本人之手，所以，他在各方面都有理也就不足为奇了。

17世纪是一个科学人才辈出的年代，牛顿毫无疑问是那个时代最伟大的科学天才，并受到了他同时代学者的普遍认同。1705年，他成为第一个被英国女王封为贵族的科学家。这位为所有物质现象奠定了理论基础的科学大师在夜里却偷偷地进行着炼金术试验，他崇拜所有有名的炼金术士，从这些人的文稿中摘录晦涩的段落，甚至用他们玄奥的符号来说明自己的实验。在牛顿的笔记中，人们发现了怪异的观点，例如把金属植入地下，金属就会像动物和植物一样生长，过一段时间后它们就会结出金属之果——金子。从今天的科学水平角度看，牛顿这种炼金术观点显然是荒唐的，他笔记中表述的观点有时也荒谬可笑，但牛顿当时毕竟生活在社会变革和科技革命风起云涌的年代，牛顿生活的年代为被称为“理性”和“启蒙”时代的18世纪拉开了序幕。

■“称重屋”，讽刺牛顿发现重力的版画，威廉·贺加斯（1697—1764）

苹果落地的启示

根据历史传说，有一次牛顿在花园里散步，苹果树上的苹果掉下来正好落在牛顿的头上，于是他就联想到了天体之间的相互关系。牛顿自己曾说过，他在看到苹果下落的瞬间想到了苹果下坠和月亮运动都出于同一种力量，但他同时又提出了月亮为什么不落到人们头上的疑问。月亮没有下坠的原因在于运动的惯性，因为月亮是在一个环绕地球的轨道上运动，运动产生的离心力抵消了地球对它的引力。

艾萨克·牛顿

生平与学术生涯

艾萨克·牛顿的生平大致可分为三个阶段，即二十二岁以前的青少年阶段、学术鼎盛时期的剑桥大学近40年任教生涯及俸禄丰厚而学术兴趣淡薄的政府官员时期。艾萨克·牛顿于1643年1月4日出生于英格兰林肯郡小镇沃尔索浦的一个自耕农家庭，牛顿自小由外祖母抚养。尽管他成绩一般，但还是被送入大学学习法律。在剑桥大学学习期间，牛顿开始涉猎哲学和数学，他研究欧几里德、伽利略和笛卡儿等人的理论，并展现出了超人的数学天赋。1665年，剑桥大学因瘟疫流行而关闭两年，牛顿因此离校返乡。在家乡的两年时间里，他潜心研究自然科学，奠定了数学革命的基础，踏进了前人没有涉足的领域，创建了前所未有的惊人业绩。当牛顿于1667年重新回到剑桥大学时，当时掌管剑桥大学数学讲席的艾萨克·巴罗教授发现了这位年轻的数学天才，并在两年后把自己的职位让给了牛顿，不满二十七岁的牛顿于是就成了当时世界上最负盛名的讲席之一的掌门人。牛顿完善了他的新光学研究并改进了他的望远镜，1672年起，牛顿成为皇家学会会员并在皇家学会的刊物上发表了大量论文。在这一时期，牛顿完善了他的万有引力定律，这一定律认为所有天体都以与其距离的平方成反比的力互相吸引，牛顿证明的万有引力定律源自开普勒定律。在发表于1687年的《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿完整地阐述了万有引力定律的理论。1689年牛顿当选为国会议员，开始了他的政治生涯，开始逐渐疏远给他带来巨大成就的科学。在经历了一次精神崩溃后，牛顿于1693年完全放弃了科学研究。169 6年牛顿取得了皇家铸币局的领导职位，1703年牛顿当选为皇家学会的主席。1727年3月31日，艾萨克·牛顿在英格兰的肯辛顿逝世。

相关知识

微积分

牛顿和威廉·冯·莱布尼茨（1646—1716）都被认为是微积分的创始人，两人生前为微积分的发明权进行过激烈的论争。微积分学（分为微分学和积分学）可将无限小的量进行正确的数学计算，简化了面积、体积（积分）和轨道曲线及其曲率和切线（微分）的计算。没有微积分学，许多现代科技（如火箭、电动机和飞机等）就不可想象。今天，高校学生可以用微积分正确地计算出物体的运动，其计算的准确性是牛顿以前的科学家们所梦寐以求的。

推荐

阅读：

《艾萨克·牛顿》， James Gleick著，Düsseldorf 2004

《牛顿的苹果——历史性的时刻》， Thomas Bührke著，München 1997

《自然哲学之数学原理》，艾萨克·牛顿著，王克迪译，袁江洋校，北京大学出版社2006

《牛顿传记五种》，丰特奈尔等著，赵振江译，商务印书馆2007

视听：

《牛顿：两个艾萨克的传说》，导演：Don McBrearty，主演：Karl Pruner，加拿大和爱尔兰合拍1997

参观：

英国伦敦威斯敏斯特公墓牛顿墓

网站：

www.newtonproject.ic.ac.uk/index html

点评

牛顿通过对万有引力的数学阐述建立了理论物理学，从而将神秘的宇宙搬到了纸上。