18位奠定近代科学技术基础的科学巨星

奠定近代科学技术基础的巨星[英国]牛顿(1642～1727)

沿着时光隧道逆行300多年，我们来到一座花团锦簇、林木郁秀的花园，那时已是金秋时节，熟透了的苹果像绯红的姑娘脸庞，娇羞地躲在密密的枝桠间，空气中流淌着芬芳、甘甜的果香。果树下的椅子上却坐着一位愁眉紧锁的青年，他无心绪欣赏这一美景，连日来，他被一个难题苦苦纠缠，竞如着了魔似的，坐卧不安，他苦思冥想，总是无功而返。忽然，一阵微风吹来，啪的一声，一只苹果落到地上，紧接着又是几只苹果落到地上，青年的眼前一亮，滞塞的思维顿时活跃起来，苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右掉，而偏偏总是垂直地往地上落呢?以此为契机，后来他发现了万有引力定律。这位青年就是奠定近代科学技术基础的巨星牛顿。

生性聪慧的少年

17世纪的欧洲正处于自然科学大躁动时期。德国的开普勒通过长期的研究，提出了行星运动三大定律，对行星运动进行了科学的理论描述；英国医生哈维发现了血液循环规律；法国科学家笛卡尔创立了解析几何学但是，当时还没有一套系统完整的理论可以把这些似乎毫不相干的发现变成可以进行科学预测的系统学说。上帝似乎有意安排牛顿诞生在这个科学盛世，并有意让他来完成这一壮举。果然他不负重托，提出了一套完整的学说，将近代科学导人了它一直遵循的航程，从而开辟了近代科学的道路。

艾萨克牛顿(IssacNewton)是英国物理学家、数学家。1642年12月25日，牛顿生于英国林肯郡乌尔索普的一个农民家庭。牛顿的父亲是个普通农民，在儿子出生前3个月就因病去世了。牛顿刚生下来时仅有3磅重，人们都认为这个遗腹子难以长大，然而出人意料的是他不但活了下来，而且还活到了一般人不能企及的80多岁的高龄。寡母含辛茹苦地哺育了他这个似乎先天就发育不良的孩子，但迫于生计，在牛顿3岁时，母亲含泪抛下了怀中的孩子改嫁给邻村的一位牧师。年迈慈祥的外祖母收养了这位可怜的孩子，祖孙二人相依为命、艰难度日。

牛顿幼年资质平平，且十分淘气顽皮，学习成绩一般，没有任何迹象表明他日后能成为卓越的科学家。但是，他有一双灵巧的小手，对手工制作兴趣浓厚，他把积攒下来的零用钱用来买锤子、锯子、钳子，成天敲敲打打、乐此不疲。有一次，他注意到太阳光下的人影随着时间的改变而移动，便突发灵感，兴致勃勃地做了一个用来计算时间的日晷。牛顿的这种兴趣与日俱增。读中学时，他把大量的时间精力倾注于手工艺上而忽略了学校的课程，学习成绩很差，直到后来发生了一件让他幡然醒悟的事：一天他和班上的同学发生了冲突，乃至拳脚相加，这位同学羞辱牛顿。自此，在强烈的自尊和好胜心的驱使下，牛顿一改顽劣的天性，专心致志、刻苦攻读，终于一跃而为班上学习成绩第一名的学生。

1661年，19岁的牛顿以优异的成绩考入久负盛名的剑桥大学，这一来他就和剑桥大学结下了不解之缘。他一生中最有价值的科学活动就是在剑桥进行并获得成功的，直到54岁他才离开剑桥赴造币厂任职。

剑桥大学是牛顿成长的摇篮，这期间他如饥似渴地吮吸知识的甘霖，并得到了名师的悉心指导，很快就学完了自然科学中的数学知识，并具备了独立科研的能力。在这里我们不能不提到英国著名数学家伊萨克巴罗，他是牛顿的导师。在巴罗的指导下，牛顿很快地学完了当时人们掌握的科学和数学知识，并开始了独立研究，发现并证明了有名的二项式定理。

1665年，牛顿大学毕业，因成绩优异被留校任教，这时正是他一生中思维最活跃的时期，也是欧洲发生鼠疫流行期，学校被迫停课，牛顿不得不回到自己的家乡躲避瘟疫。大概是得故乡山水灵气之的原因，妙悟灵感常常光顾牛顿，在短短的两年时间里，牛顿集中精力思考了3大问题：微积分学、万有引力定律和光学。这3大问题为他一生的研究奠定了基础，并为数理学科的发展开拓了新天地。

微积分创始人之一

我之所以看得比较远，是因为我站在巨人的肩膀上。牛顿这句话虽有谦逊之意，却也道出了其中之理，事实上正是因为他吸收、借鉴了前人的研究成果，才得以在较高的起点上继续前进。牛顿和莱布尼茨创出微积分学便是例证。

谈到数学，人们往往有这样的说法：牛顿发明了微积分。其实，这种说法并不准确。在牛顿以前，早就有笛卡尔、费尔玛、巴罗等人研究解析几何，把变数引进数学，对微积分问题进行了探索；与牛顿同时代的德国数学家莱布尼茨也独立地进行了微积分的研究。如此!看来，微积分应该说大体上是由牛顿和莱布尼茨共同完成的，但不是由他们发明的。

在牛顿看来，速度既然表示运动物体在单位时间内所改变的距离，那么，截取它在运动中的某一个极短时间，并考察它在这个极短时间内所移动的微小距离，然后用这个微小的距离去除以这个极短的时间，不就可以得到它在这一瞬间内的速度了吗?

确实，这是可以表示物体运动过程中某一瞬时速度的。用同样的方法，还能得到与这一瞬时相邻近的，即此前和此后的瞬时速度。比较它们的大小便可以知道速度的变化率。

诚然，上面只举了速度变量的例子。因为牛顿恰恰是从研究力学出发，考虑了速度的变化，从而建立了微积分计算方法。微积分是近代自然科学和工程技术中一种基本的数学工具，是计算变量和变率的特殊数学方法。由变量计算变率的称为微分，而由变率计算变量的叫做积分。微分和积分是一对逆运算，就像加法和减法、乘法和除法互为逆运算一样。

事实上，变量问题在自然科学领域里比比皆是。花开两枝，各占一半。莱布尼茨也是从变量问题出发来展开对微积分的研究的，不同的只是，莱布尼茨另有侧重，采取了切线概念方法。

莱布尼茨在切线曲线中截取极为短的一段曲线，并把它看作是一条与曲线相切的近似直线段，而相邻切线线段的变化也就相当于那一段曲线的变化。莱布尼茨认为，在计算被曲线包围部分的面积时，可以将它们分成无限多个极小的矩形，这无限多个极小矩形面积的总和，即近似等于被曲线包围部分的面积。由此可见，牛顿与莱布尼茨在建立微积分上确实有异曲同工之妙。

关于发明微积分的优先权，从牛顿和莱布尼茨在世时就开始发生争执，虽然牛顿关于微积分的著作正式发表在1704年，莱布尼茨的发表于1684年，但牛顿在1665年、1666年写的论文手稿中就已经清楚地论述了微分的概念与方法。总之，他们是各自独立进行了关于微积分的研究，并取得成果的。

微积分的生产，是数学发展史的重要里程碑，为人类的生产、生活开辟了方便的渠道。过去需要用特殊技巧分别处理的一些困难问题，现在人们可以用一般性的解决办法，即微积分来进行简单易行的运算。正如我们今天所知道的，现代理工科学以及工程技术，可以说没有一门离得开微积分。就是牛顿本人，一方面他从研究力学出发完成了微积分的研究，另一方面他也运用微积分在光学、力学等物理学领域里有了新的重大的建树。

光与色的研究

1669年，巴罗教授认为牛顿的造诣和才能已在自己之上，于是毅然辞去剑桥大学卢卡斯讲座(由一位姓卢卡斯的人出资设立的职位)的数学讲席，把它拱手让给了自己的学生牛顿。从这年开始，牛顿担任了卢卡斯数学教授，成为剑桥大学公认的大数学家。

然而，值得玩味的是，牛顿走上讲台，向大学生们讲的第一门学科，不是数学，而是光学；他发表的第一篇正式的科学论文，谈的也是光学，由此可知牛顿对光学的重视。

牛顿在避居故乡期间，曾磨制了一些各种形状的光学透镜。他用其中的一块进行实验操作。为了做好实验，他布置了一间暗室，只在窗板上开一个圆形的小孔，让太阳光射入。在小孔前面放了一个三棱镜，太阳一照，对面的墙上立即出现了鲜艳的像彩虹一样的光影：最上面的是红色，以下依次是橙、黄、绿、青、蓝、紫共七色。牛顿惊异地发现，圆形的太阳光线经过这一散射，居然成了一道道平行的长条形彩色光谱!(www.xing528.com)

这一偶然的发现经过反复实验终于得到证实：白色光线之所以能散射成彩色的光谱，绝不是偶然的，而是由于白光本身就是由折射率不同的各种彩色光线混合组成的。当它透过三棱镜时，紫色光线的折射率最大，其次是蓝色折射率最小的是红色光线，以致在三棱镜后面形成了彩色光谱。太阳光透过蒙蒙雨雾时，产生美丽的七彩虹，也是同样的原理。

这一闪光的实验，为后来的科学家们创立光谱学开辟了道路。他们将光谱拍成照片，测量光的波长，对燃烧着的物质进行光谱分析等等。结果，非但测定了组成太阳的物质是什么，而且发现了以前根本不知道的新元素，如铯、铷、铊、铟、氮

通过对于光线折射的研究，牛顿还认为，望远镜里出现的妨碍视线的各种色彩，正是由于白色光线透过透镜时产生的。这是一个对于制造望远镜颇有实用价值的结论。但是，牛顿却做了一个错误的断定。他认为，对于当时人们使用的折射望远镜来说是个无法克服的缺点，即使磨制出再完善的透镜也无法避免白色光线透过透镜产生各种色彩，从而妨碍视线。然而，歪打正着，正是由于这一错误的结论，牛顿发明了一种新型的望远镜反射望远镜。

反射望远镜的发明，引起了人们极大的兴趣。牛顿很快被提名为皇家学会的候补会员。1672年1月，又被选为正式会员。就在这时，他将自己的第一篇正式的科学论文《关于光和色的新理论》送交皇家学会讨论审查。这篇论文总结了他过去在光学方面的实验和理论，提出了光的本质是微粒的见解。在此以前，笛卡尔也主张微粒说，认为光是由发光体发出的弹性微粒组成的，是直线进行的。与牛顿同时代的英国科学家罗伯特胡克以及荷兰数学家、物理学家惠更斯则主张波动说，认为光是一种机械波，由发光体引起，同声音一样依靠媒质来传播。微粒说与波动说在当时互为补充。虽然微粒说从现代科学的眼光来看不够完善，但它与现代用量子论解释光的本质的见解有十分相似之处，即认为光的物质结构基本上是原子的。所以，一位英国学者说：单凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学史上的头等人物。

万有引力定律和运动定律

我们知道，地球旋转时，地上的人、屋、树木与海洋都跟着地球一道转动。但是怎样才能把这种认为与地面上的静止状态统一起来呢?为了解答这个问题，牛顿曾设想，有一根高出地面若干公里的旗杆，杆顶上放一块石头，那么经过同样长的时间后，这块石头所经过的圆弧肯定大于杆下的人所经过的圆弧，所以说，旗杆上的石头的运动速度比地面上人的运动速度要快一些。

怀着愉悦的心情，牛顿把这一设想写信告诉了胡克，他说：假如石头忽然从杆顶往下落，由于地球是由西向东转，所以石头应该落在杆顶和地心的连接线东面的某一点上。胡克对于牛顿信中提出的实验着了迷，他决心用实验来证明牛顿设想的正确性。令人遗憾的是，通过实验他发现牛顿的设想并不完全正确，实际上物体下落时应该落在偏东南方向。

胡克的纠正虽然再度引起了牛顿对引力问题的兴趣，但是未能解决的一个问题仍使牛顿感到纳闷。他没有忘记，在乌尔索普村用地球的引力去解释月球的运动所遭遇到的失败。1666年他在乌尔索普村计算引力时所采用的地球表面的大圆弧上，曾经把长度定为60英里，根据笛卡尔的测量，这一数字应当是69．1英里。1682年他在皇家学会听到这个消息后，才发现了自己错误的原因，他通过重新计算得出的结果与理论值相符合，这时他才认识了使苹果落地的力：和使月球围绕地球转动的力是同一种力。

牛顿在剑桥大学学习天文学时，已经接受了哥白尼日心说的理论，而且深刻地领会到开普勒和伽利略等人工作的意义。开普勒企阔用力学原理去说明行星为什么能在轨道上运行，他认为，必定有一种力在推动它们。伽利略发现了惯性原理后，认为这种力来自太阳。牛顿在总结前人的基础上，通过自己反复细致的实验观察和精确的计算，提出了著名的万有引力定律，即一切物体相互吸引，引力与它们的质量乘积成正比，而与它们间的距离平方成反比。

1682年，牛顿根据引力按距离平方成反比而变化的定律进行计算之后，便去寻找行星运行的轨道问题，通过一段时间的努力，牛顿螫于得到了这个问题的解答。他的方程式告诉他，行星运行的轨道瘦该是椭圆，从而他解决了当时天文学的一个最大问题。趁热打铁，紧接着牛顿于16841685年间在剑桥做了一系列名为《论天体运动》的学术演讲，论证了万有引力的普遍性。他指出，宇宙间的一切物体，无论是地球上的两物体之间，还是地球与月球、地球或其他行星与太阳之间，都无一例外地遵循着万有引力定律。

当时牛顿42岁，在科学研究上所表现出的智慧达到了顶峰期。由于皇家学会一些会员，特别是哈雷的敦促，1685年牛顿开始着手编他那本流传后世的巨著《自然哲学的数学原理》。在写作期间，牛顿倾注全力、废寝忘食。他经常在书房里踱来踱去，对周围发生的事件充耳不闻。他经常到花园里散步，但常常会突然冲锋似的跑回楼上去，人未坐稳便快速地将他一瞬间得到的意念记录下来。

牛顿正是在这种忘我的境界下计算和证明命题、定理、方程式、原则，以及精密绘制图表等，经过18个月的不懈努力，终于在1686年完成了这部不朽巨著。在这部巨著中，牛顿阐述了他著名的三大定律。

定律一：每个物体在没有外力作用的情况下，将永远保持其静止或匀速直线运动的状态。此定律即为人们熟悉的惯性定律。

定律二：当物体受到外力作用时，它的加速度与作用力成反比，与物体的质量成正比，加速度的方向与作用力的方向相同。

定律三：两物体间的作用力和反作用力在同一条直线上，大小相等，方向相反。这条即是作用力与反作用力定律。用牛顿自己的话来解释：如果你用手指推压一块石头，那么手指也要被石头所推压。

三条定律的语句非常精练，却蕴含了丰富、普遍的道理。人们可以用它来解释日常遇到的许多事，它们是近代物理学的基础。

牛顿在前人研究的基础上，创造性地把物体的运动规律归结为三条运动基本定律和一条万有引力定律，建立了一个完整的经典力学理论体系，从而把过去一向认为是截然无关的地球上的运动规律和天体的运动规律概括在一个严密的统一理论之中，它正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，在人类对自然的认识史上实现了第一次理论大综合。牛顿的科学成就影响深远，它使机械唯物论的自然观在欧洲统治自然领域达200年之久，推动了科学研究突飞猛进的发展。

牛顿严肃地进行科学工作，认真地学习前人及同时代人的科学成果，认真做科学实验和数学计算，从中总结出科学概念、原则和理论结论，又根据天文观察和测量以及自己的反复实验进行验证。他事实上遵循的是唯物主义的认识路线，因此他获得了巨大的成就，成为伟大的自然科学家。尽管牛顿在自己的著作中并未用唯物主义的名词来概括他在实际科学活动中所坚持的认识路线，但重要的在于实质。

由于时代条件的限制，牛顿不可能彻底坚持自然科学唯物主义的立场，后来沉迷于宗教意识，热衷于神学研究，晚年对上帝极力赞颂。他写道：各个行星现有的运动不能单单出于某一个自然原因，而是出于一个全智的主宰的推动。即上帝的第一次推动。他的有关神学的文稿多达150万字，基本上放弃了科学的思考、科学方法和严肃的态度。

牛顿一生为人谦和，生活上一直保持节俭质朴的作风，在青年人面前一点也不傲慢，和蔼得令人着迷，当然他也是一位容易被激怒的人，而且被人激怒时，与平时相比真是判若两人。由于他出身于贫寒家庭，用钱极有节制，富裕时也一再提醒他的晚辈不要奢侈。然而他并不是一个只看重金钱的人，相反，对于他的亲友，他总是很慷慨，尤其对于具有数学才干的青年学生更是尽心培养。

1727年3月20日黎明之前，牛顿在睡眠中病逝。出于对伟人的崇敬，人们在他的墓碑上刻有这样一句话：人们啊，欢欣吧!人类中曾经出现了这样伟大的一个光荣。

牛顿是近代最伟大的科学家，他对近代物理学的研究成果做了全面而出色的总结，他完善了经典力学体系，他那卓越的工作和杰出，的贡献极大地改变了人类的技术和经济状况，使人类认识自然的能力达到了他那个时代前所未有的水平，在物理学上开创了一个牛顿；时代。虽然今天物理学已进到微观领域，但在人类生活和技术应用中，我们仍广泛应用牛顿的成果，因为他奠定了科学大厦的基础。