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艾薩克 • 牛頓 爵士(Sir Isaac Newton FRS,1642年12月25日 --- 1727年3月20日),英國物理學家、數學家、科學家、思想家和哲學家,同時是英國當時鍊金術熱衷者。他在1687年7月5日發表的《自然哲學的數學原理》里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經典力學。牛頓還和萊布尼茨各自獨立地發明了微積分。他總共留下了50多萬字的鍊金術手稿和100多萬字的手稿。他被公認為是人類歷史上最偉大,最有影響力的科學家之一。

1 牛頓 -簡介

Newton in a 1702 
portrait - by Godfrey KnellerNewton in a 1702 portrait by Godfrey Kneller

艾薩克·牛頓爵士(Sir Isaac Newton FRS,1642年12月25日 --- 1727年3月20日),物理學家、數學家、科學家和哲學家,同時是英國當時鍊金術熱衷者。他在1687年7月5日發表的《自然哲學的數學原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經典力學的基石。牛頓還和萊布尼茨各自獨立地發明了微積分。他總共留下了50多萬字的鍊金術手稿和100多萬字的神學手稿。

牛頓被譽為人類歷史上最偉大的科學家之一。他的萬有引力定律在人類歷史上第一次把天上的運動和地上的運動統一起來,為日心說提供了有力的理論支持,使得自然科學的研究最終掙脫了宗教的枷鎖。

牛頓還發現了太陽光的顏色構成,還製作了世界上第一架反射望遠鏡。

2 牛頓 -生平

1642年 8月,英國內戰爆發,戰爭持續到1649年。
1643年 1月4日,伊薩克·牛頓出生於英國烏爾斯索普,母親是漢納·牛頓。他的父親3個月前就去世了。
1655年 牛頓12歲,開始上格蘭瑟姆文法學校。
1661年 6月牛頓18歲,進入劍橋大學。
1664年 春天,牛頓21歲,開始進行光的實驗。
1665年 牛頓拿到文學士學位,並開始發展他自己的高等數學。
倫敦流行大鼠疫,並擴散到其他城市。牛頓離開劍橋,回到伍爾斯索普。
1666年 牛頓在引力定律方面取得了重大突破。
1667年 3月,牛頓返回劍橋大學。6個月內,他被推選為三一學院的研究員。
1669年 7月,牛頓的作品《分析論》開始發行。
10月,牛頓被任命為劍橋大學盧卡西講座的數學教授,年僅26歲,是擔任該職位的最年輕的人。
1670—1671年 牛頓研製出他的反射望遠鏡。
1672年 牛頓應邀參加皇家學會,這是一個由資深科學家組成的團體。
2月,牛頓向學會遞交了他的入會後的第一篇論文。
1679年 6月,牛頓的母親去世。
1684年 牛頓開始撰寫他的《自然哲學的數學原理》,該書通稱為《原理》。
1686年 4月28日,《原理》一書的摘要在皇家學會宣讀。該書被視為科學界的經典作品。
1689年 牛頓被推選為劍橋大學代表,參加英國「國會會議」。
1693—1696年 牛頓患了一種奇怪的病。
1696年 3月,牛頓病體康復,接受皇家造幣廠的監造員一職。
1699年 12月,47歲的牛頓被任命為皇家造幣廠廠長。
1701年 牛頓被選為代表劍橋大學的英國下議院議員。
1703年 11月30日,牛頓被選為皇家學會主席。
1704年 牛頓有關光的研究的著作《光學》出版。
1705年 牛頓被安妮女王封為爵士。他是第一位獲此殊榮的科學家。
1727年 3月30日,牛頓爵士逝世,享年84歲。

3 牛頓 -著作

流數法(1671年)

自然哲學的數學原理(1687年)

光學(1704年)

4 牛頓 -成就

在牛頓的全部科學貢獻中,數學成就佔有突出的地位。他數學生涯中的第一項創造性成果就是發現了二項式定理。據牛頓本人回憶,他是在1664年和1665年間的冬天,在研讀沃利斯博士的《無窮算術》並試圖修改他的求圓面積的級數時發現這一定理的。

微積分的創立是牛頓最卓越的數學成就。牛頓為解決運動問題,才創立這種和物理概念直接聯繫的數學理論的,牛頓稱之為"流數術"。它所處理的一些具體問題,如切線問題、求積問題、瞬時速度問題以及函數的極大和極小值問題等,在牛頓前已經得到人們的研究了。但牛頓超越了前人,他站在了更高的角度,對以往分散的努力加以綜合,將自古希臘以來求解無限小問題的各種技巧統一為兩類普通的演算法——微分和積分,並確立了這兩類運算的互逆關係,從而完成了微積分發明中最關鍵的一步,為近代科學發展提供了最有效的工具,開闢了數學上的一個新紀元。

1707年,牛頓的代數講義經整理后出版,定名為《普遍算術》。他主要討論了代數基礎及其(通過解方程)在解決各類問題中的應用。書中陳述了代數基本概念與基本運算,用大量實例說明了如何將各類問題化為代數方程,同時對方程的根及其性質進行了深入探討,引出了方程論方面的豐碩成果,如,他得出了方程的根與其判別式之間的關係,指出可以利用方程係數確定方程根之冪的和數,即「牛頓冪和公式」。

牛頓對解析幾何與綜合幾何都有貢獻。他在1736年出版的《解析幾何》中引入了曲率中心,給出密切線圓(或稱曲線圓)概念,提出曲率公式及計算曲線的曲率方法。並將自己的許多研究成果總結成專論《三次曲線枚舉》,於1704年發表。此外,他的數學工作還涉及數值分析、概率論和初等數論等眾多領域。

牛頓是經典力學理論理所當然的開創者。他系統的總結了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作,得到了著名的萬有引力定律和牛頓運動三定律。

牛頓發現萬有引力定律是他在自然科學中最輝煌的成就。那是在假期里,牛頓常常來到母親的家中,在花園裡小坐片刻。有一次,象以往屢次發生的那樣,一個蘋果從樹上掉了下來。一個蘋果的偶然落地,卻是人類思想史的一個轉折點,它使那個坐在花園裡的人的頭腦開了竅,引起他的沉思:究竟是什麼原因使一切物體都受到差不多總是朝向地心的吸引呢?牛頓思索著。終於,他發現了對人類具有劃時代意義的萬有引力。他認為太陽吸引行星,行星吸引行星,以及吸引地面上一切物體的力都是具有相同性質的力,還用微積分證明了開普勒定律中太陽對行星的作用力是吸引力,證明了任何一曲線運動的質點,若是半徑指向靜止或勻速直線運動的點,且繞此點掃過與時間成正比的面積,則此質點必受指向該點的向心力的作用,如果環繞的周期之平方與半徑的立方成正比,則向心力與半徑的平方成反比。牛頓還通過了大量實驗,證明了任何兩物體之間都存在著吸引力,總結出了萬有引力定律:

F=G(m1m2 / r 2)(m1和m2是兩物體的質量,r為兩物體之間的距離)。在同一時期,雷恩、哈雷和胡克等科學家都在探索天體運動奧秘,其中以胡克較為突出,他早就意識到引力的平方反比定律,但他缺乏象牛頓那樣的數學才能,不能得出定量的表示。

牛頓運動三定律是構成經典力學的理論基礎。這些定律是在大量實驗基礎上總結出來的,是解決機械運動問題的基本理論依據。

1687年,牛頓出版了代表作《自然哲學的數學原理》,這是一部力學的經典著作。牛頓在這部書中,從力學的基本概念(質量、動量、慣性、力)和基本定律(運動三定律)出發,運用他所發明的微積分這一銳利的數學工具,建立了經典力學的完整而嚴密的體系,把天體力學和地面上的物體力學統一起來,實現了物理學史上第一次大的綜合。

在光學方面,牛頓也取得了巨大成果。他利用三稜鏡試驗了白光分解為的有顏色的光,最早發現了白光的組成。他對各色光的折射率進行了精確分析,說明了色散現象的本質。他指出,由於對不同顏色的光的折射率和反射率不同,才造成物體顏色的差別,從而揭開了顏色之迷。牛頓還提出了光的「微粒說」,認為光是由微粒形成的,並且走的是最快速的直線運動路徑。他的「微粒說」與後來惠更斯的「波動說」構成了關於光的兩大基本理論。此外,他還製作了牛頓色盤和反射式望遠鏡等多種光學儀器。

牛頓的研究領域非常廣泛,他在幾乎每個他所涉足的科學領域都做出了重要的成績。他研究過計溫學,觀測水沸騰或凝固時的固定溫度,研究熱物體的冷卻律,以及其他一些只有在與他自己的主要成就想比較時,才顯得遜色的課題。

5 牛頓 -軼事

1667年復活節后不久,牛頓返回到劍橋大學,10月被選為三一學院初級院委,翌年獲得碩士學位,同時成為高級院委。1669年,巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職,26歲的牛頓晉陞為數學教授。巴羅讓賢,在科學史上一直被傳為佳話。

牛頓並不善於教學,他在講授新近發現的微積分時,學生都接受不了。但在解決疑難問題方面的能力,他卻遠遠超過了常人。還是學生時,牛頓就發現了一種計算無限量的方法。他用這個秘密的方法,算出了雙曲面積到二百五十位數。他曾經高價買下了一個稜鏡,並把它作為科學研究的工具,用它試驗了白光分解為的有顏色的光。開始,他並不願意發表他的觀察所得,他的發現都只是一種個人的消遣,為的是使自己在寂靜的書齋中解悶。他獨自遨遊於自己所創造的超級世界里。後來,在好友哈雷的竭力勸說下,才勉強同意出版他的手稿,才有劃時代巨著《自然哲學的數學原理》的問世。

作為大學教授,牛頓常常忙得不修邊幅,往往領帶不結,襪帶不系好,馬褲也不紐扣,就走進了大學餐廳。有一次,他在向一位姑娘求婚時思想又開了小差,他腦海了只剩下了無窮量的二項式定理。他抓住姑娘的手指,錯誤的把它當成通煙斗的通條,硬往煙斗里塞,痛得姑娘大叫,離他而去。牛頓也因此終生未娶。

牛頓從容不迫地觀察日常生活中的小事,結果作出了科學史上一個個重要的發現。他馬虎拖沓,曾經鬧過許多的笑話。一次,他邊讀書,邊煮雞蛋,等他揭開鍋想吃雞蛋時,卻發現鍋里是一隻懷錶。還有一次,他請朋友吃飯,當飯菜準備好時,牛頓突然想到一個問題,便獨自進了內室,朋友等了他好久還是不見他出來,於是朋友就自己動手把那份雞全吃了,雞骨頭留在盤子,不告而別了。等牛頓想起,出來后,發現了盤子里的骨頭,以為自己已經吃過了,便轉身又進了內室,繼續研究他的問題。

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