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學(xué)校教室標語_失敗乃成功之母
——牛頓
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牛頓(IsaacNewton,1643―1727)
英國偉大的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家。恩格斯說:“牛頓由于發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律而創(chuàng)立了天文學(xué),由于進行光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué),由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué),由于認識了力學(xué)的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)。”的確,牛頓在自然科學(xué)領(lǐng)域里作了奠基性的貢獻,堪稱科學(xué)巨匠。
牛頓出生于英國北部林肯郡的一個農(nóng)民家庭。1661年考上劍橋大學(xué)特里尼蒂學(xué)校,1665年畢業(yè),這時正趕上鼠疫,牛頓回家避疫兩年,期間幾乎考慮了他一生中所研究的各個方面,特別是他一生中的幾個重要貢獻:萬有引力定律、經(jīng)典力學(xué)、微積分和光學(xué)。
牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律,建立了經(jīng)典力學(xué),他用一個公式將宇宙中最大天體的運動和最小粒子的運動統(tǒng)一起來。宇宙變得如此清晰:任何一個運動都不是無故發(fā)生,都是長長的一系列因果鏈條中的一個狀態(tài)、一個環(huán)節(jié),是可以精確描述的。人們打破幾千年來神的意志統(tǒng)治世界的思想,開始相信沒有任何東西是智慧所不能確切知道的。相比于他的理論,牛頓更偉大的貢獻是使人們從此開始相信科學(xué)。
牛頓是一個遠遠超過那個時代所有人智慧的科學(xué)巨人,他對真理的探索是如此癡迷,以至于他的理論成果都是在別人的敦促下才公諸于世的,對牛頓來說創(chuàng)造本身就是最大的樂趣。
回答者:西伯利亞的狼 - 狀元 十四級 5-10 21:56
牛頓簡介
牛頓(Isaac Newton,1643~1727)偉大的物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家,經(jīng)典力學(xué)體系的奠基人。
牛頓1643年1月4日(儒略歷1642年12月25日)誕生于英格蘭東部小鎮(zhèn)烏爾斯索普一個自耕農(nóng)家庭。出生前八九個月父死于肺炎。自小瘦弱,孤僻而倔強。3歲時母親改嫁,由外祖母撫養(yǎng)。11歲時繼父去世,母親又帶3個弟妹回家務(wù)農(nóng)。在不幸的家庭生活中,牛頓小學(xué)時成績較差,“除設(shè)計機械外沒顯出才華”。
牛頓自小熱愛自然,喜歡動腦動手。8歲時積攢零錢買了錘、鋸來做手工,他特別喜歡刻制日晷,利用圓盤上小棍的投影顯示時刻。傳說他家里墻角、窗臺上到處都有他刻劃的日晷,他還做了一個日晷放在村中央,被人稱為“牛頓鐘”,一直用到牛頓死后好幾年。他還做過帶踏板的自行車;用小木桶做過滴漏水鐘;放過自做的帶小燈籠的風(fēng)箏(人們以為是彗星出現(xiàn));用小老鼠當動力做了一架磨坊的模型,等等。他觀察自然最生動的例子是15歲時做的第一次實驗:為了計算風(fēng)力和風(fēng)速,他選擇狂風(fēng)時做順風(fēng)跳躍和逆風(fēng)跳躍,再量出兩次跳躍的距離差。牛頓在格蘭瑟姆中學(xué)讀書時,曾寄住在格蘭瑟姆鎮(zhèn)克拉克藥店,這里更培養(yǎng)了他的科學(xué)實驗習(xí)慣,因為當時的藥店就是一所化學(xué)實驗室。牛頓在自己的筆記中,將自然現(xiàn)象分類整理,包括顏色調(diào)配、時鐘、天文、幾何問題等等。這些靈活的學(xué)習(xí)方法,都為他后來的創(chuàng)造打下了良好基礎(chǔ)。 牛頓曾因家貧停學(xué)務(wù)農(nóng),在這段時間里,他利用一切時間自學(xué)。放羊、購物、農(nóng)閑時,他都手不釋卷,甚至羊吃了別人莊稼,他也不知道。他舅父是一個神父,有一次發(fā)現(xiàn)牛頓看的是數(shù)學(xué),便支持他繼續(xù)上學(xué)。1661年6月考人劍橋大學(xué)三一學(xué)院。作為領(lǐng)取補助金的“減費生”,他必須擔(dān)負侍候某些富家子弟的任務(wù)。三一學(xué)院的巴羅(Isaac Barrow, 1630~1677)教授是當時改革教育方式主持自然科學(xué)新講座(盧卡斯講座)的第一任教授,被稱為“歐洲最優(yōu)秀的學(xué)者”,對牛頓特別垂青,引導(dǎo)他讀了許多前人的優(yōu)秀著作。1664年牛頓經(jīng)考試被選為巴羅的助手,1665年大學(xué)畢業(yè)。
在1665~1666年,倫敦流行鼠疫的兩年間,牛頓回到家鄉(xiāng)。這兩年牛頓才華橫溢,作出了多項發(fā)明。1667年重返劍橋大學(xué),1668年7月獲碩士學(xué)位。1669年巴羅推薦26歲的牛頓繼任盧卡斯講座教授,1672年成為皇家學(xué)會會員,1703年成為皇家學(xué)會終身會長。1699年就任造幣局局長,1701年他辭去劍橋大學(xué)工作,因改革幣制有功,1705年被封為爵士。1727年牛頓逝世于肯辛頓,遺體葬于威斯敏斯特教堂。
牛頓的偉大成就與他的刻苦和勤奮是分不開的。他的助手H.牛頓說過,“他很少在兩、三點前睡覺,有時一直工作到五、六點。春天和秋天經(jīng)常五、六個星期住在實驗室,直到完成實驗。”他有一種長期堅持不懈集中精力透徹解決某一問題的習(xí)慣。他回答人們關(guān)于他洞察事物有何訣竅時說:“不斷地沉思”。這正是他的主要特點。對此有許多故事流傳:他年幼時,曾一面牽牛上山,一面看書,到家后才發(fā)覺手里只有一根繩;看書時定時煮雞蛋結(jié)果將表和雞蛋一齊煮在鍋里;有一次,他請朋友到家中吃飯,自己卻在實驗室廢寢忘食地工作,再三催促仍不出來,當朋友把一只雞吃完,留下一堆骨頭在盤中走了以后,牛頓才想起這事,可他看到盤中的骨頭后又恍然大悟地說:“我還以為沒有吃飯,原來我早已吃過了”。
牛頓的成就,恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整:“牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué),由于進行了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué),由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué),由于認識了力的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)”。(牛頓在建立萬有引力定律及經(jīng)典力學(xué)方面的成就詳見本手冊相關(guān)條目),這里著重從數(shù)學(xué)、光學(xué)、哲學(xué)(方法論)等方面的成就作一些介紹。
(1)牛頓的數(shù)學(xué)成就
17世紀以來,原有的幾何和代數(shù)已難以解決當時生產(chǎn)和自然科學(xué)所提出的許多新問題,例如:如何求出物體的瞬時速度與加速度?如何求曲線的切線及曲線長度(行星路程)、矢徑掃過的面積、極大極小值(如近日點、遠日點、最大射程等)、體積、重心、引力等等;盡管牛頓以前已有對數(shù)、解析幾何、無窮級數(shù)等成就,但還不能圓滿或普遍地解決這些問題。當時笛卡兒的《幾何學(xué)》和瓦里斯的《無窮算術(shù)》對牛頓的影響最大。牛頓將古希臘以來求解無窮小問題的種種特殊方法統(tǒng)一為兩類算法:正流數(shù)術(shù)(微分)和反流數(shù)術(shù)(積分),反映在1669年的《運用無限多項方程》、1671年的《流數(shù)術(shù)與無窮級數(shù)》、1676年的《曲線求積術(shù)》三篇論文和《原理》一書中,以及被保存下來的1666年10月他寫的在朋友們中間傳閱的一篇手稿《論流數(shù)》中。所謂“流量”就是隨時間而變化的自變量如x、y、s、u等,“流數(shù)”就是流量的改變速度即變化率,寫作等。他說的“差率”“變率”就是微分。與此同時,他還在1676年首次公布了他發(fā)明的二項式展開定理。牛頓利甩它還發(fā)現(xiàn)了其他無窮級數(shù),并用來計算面積、積分、解方程等等。1684年萊布尼茲從對曲線的切線研究中引入了和拉長的S作為微積分符號,從此牛頓創(chuàng)立的微積分學(xué)在大陸各國迅速推廣。
微積分的出現(xiàn),成了數(shù)學(xué)發(fā)展中除幾何與代數(shù)以外的另一重要分支——數(shù)學(xué)分析(牛頓稱之為“借助于無限多項方程的分析”),并進一步進進發(fā)展為微分幾何、微分方程、變分法等等,這些又反過來促進了理論物理學(xué)的發(fā)展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲線的解答,這是變分法的最初始問題,半年內(nèi)全歐數(shù)學(xué)家無人能解答。1697年,一天牛頓偶然聽說此事,當天晚上一舉解出,并匿名刊登在《哲學(xué)學(xué)報》上。伯努利驚異地說:“從這鋒利的爪中我認出了雄獅”。
(2)牛頓在光學(xué)上的成就
牛頓的《光學(xué)》是他的另一本科學(xué)經(jīng)典著作(1704年)。該書用標副標題是“關(guān)于光的反射、折射、拐折和顏色的論文”,集中反映了他的光學(xué)成就。
第一篇是幾何光學(xué)和顏色理論(棱鏡光譜實驗)。從1663年起,他開始磨制透鏡和自制望遠鏡。在他送交皇家學(xué)會的信中報告說:“我在1666年初做了一個三角形的玻璃棱鏡,以便試驗?zāi)侵念伾F(xiàn)象。為此,我弄暗我的房間……”接著詳細敘述了他開小孔、引陽光進行的棱鏡色散實驗。關(guān)于光的顏色理論從亞里士多德到笛卡兒都認為白光純潔均勻,乃是光的本色。“色光乃是白光的變種。牛頓細致地注意到陽光不是像過去人們所說的五色而是在紅、黃、綠、藍、紫色之間還有橙、靛青等中間色共七色。奇怪的還有棱鏡分光后形成的不是圓形而是長條橢圓形,接著他又試驗“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“將棱鏡放在外邊”再通過孔、“玻璃的不平或偶然不規(guī)則”等的影響;用兩個棱鏡正倒放置以“消除第一棱鏡的效應(yīng)”; 取“來自太陽不同部分的光線,看其不同的入射方向會產(chǎn)生什么樣的影響”;并“計算各色光線的折射率”,“觀察光線經(jīng)棱鏡后會不會沿曲線運動”;最后才做了“判決性試驗”:在棱鏡所形成的彩色帶中通過屏幕上的小孔取出單色光,再投射到第二棱鏡后,得出核色光的折射率(當時叫“折射程度”),這樣就得出“白光本身是由折射程度不同的各種彩色光所組成的非勻勻的混合體”。這個驚人的結(jié)論推翻了前人的學(xué)說,是牛頓細致觀察和多項反復(fù)實驗與思考的結(jié)果。 在研究這個問題的過程中,牛頓還肯定:不管是伽利略望遠鏡(凹、凸)還是開普勒望遠鏡(兩個凸透鏡),其結(jié)構(gòu)本身都無法避免物鏡色散引起起的色差。他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過仔細研磨后的金屬反射鏡面作為物鏡可放大 30~40倍。1671年他將此鏡送皇家學(xué)會保存,至今的巨型天文望遠鏡仍用牛頓式的基本結(jié)構(gòu)。牛頓磨制及拋光精密光學(xué)鏡面的方法,至今仍是不少工廠光學(xué)加工的主要手段。
《光學(xué)》第二篇描述了光照射到疊放的凸透鏡和平面玻璃上的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的各種實驗。除產(chǎn)生環(huán)的原因他沒有涉及外,他作了現(xiàn)代實驗所能想到的一切實驗,并作了精確測量。他把干涉現(xiàn)象解釋為光行進中的“突發(fā)”或“切合”,即周期性的時而突然“易于反射”,時而“易于透射”,他甚至測出這種等間隔的大小,如黃橙色之間有一種色光的突發(fā)間隔為 1/89 000英寸(即現(xiàn)今 2 854×10-10米),正好與現(xiàn)代波長值5 710×10-10米相差一半!
《光學(xué)》第三篇是“拐折”(他認為光線被吸收)即衍射、雙折射實驗和他的31個疑問。這些衍射實驗包括頭發(fā)絲、刀片、尖劈形單縫形成的單色窄光束“光帶”(今稱衍射圖樣)等10多個實驗。牛頓已經(jīng)走到了重大發(fā)現(xiàn)的大門口卻失之交臂。他的31個疑問極具啟發(fā)性,說明牛頓在實驗事實和物理思想成熟前并不先作絕對的肯定。牛頓在《光學(xué)》一、二篇中視光為物質(zhì)流,即由光源發(fā)出的速度、大小不同的一群粒子,在雙折射中他假設(shè)這些光粒子有方向性且各向異性。由于當時波動說還解釋不了光的直進,他是傾向于粒子說的,但他認為粒子與波都是假定。他甚至認為以太的存在也是沒有根據(jù)的。
在流體力學(xué)方面,牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比,這種阻力與液體各部分之間的分離速度成正比,符合這種規(guī)律的(如、空氣與水)稱為牛頓流體。 在熱學(xué)方面,牛頓的冷卻定律為:當物體表面與周圍形成溫差時,單位時間單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。
在聲學(xué)方面,他指出聲速與大氣壓強平方根成正比,與密度平方根成反比。他原來把聲傳播作為等溫過程對待,后來 P.S.拉普拉斯糾正為絕熱過程。
(3)牛頓的哲學(xué)思想和科學(xué)方法
牛頓在科學(xué)上的巨大成就連同他的樸素的唯物主義哲學(xué)觀點和一套初具規(guī)模的物理學(xué)方法論體系,給物理學(xué)及整個自然科學(xué)的發(fā)展,給18世紀的工業(yè)革命、社會經(jīng)濟變革及機械唯物論思潮的發(fā)展以巨大影響。這里只簡略勾畫一些輪廓。 牛頓的哲學(xué)觀點與他在力學(xué)上的奠基性成就是分不開的,一切自然現(xiàn)象他都力圖力學(xué)觀點加以解釋,這就形成了牛頓哲學(xué)上的自發(fā)的唯物主義,同時也導(dǎo)致了機械論的盛行。事實上,牛頓把一切化學(xué)、熱、電等現(xiàn)象都看作“與吸引或排斥力有關(guān)的事物”。例如他最早闡述了化學(xué)親和力,把化學(xué)置換反應(yīng)描述為兩種吸引作用的相互競爭;認為“通過運動或發(fā)酵而發(fā)熱”;火藥爆炸也是硫磺、炭等粒子相互猛烈撞擊、分解、放熱、膨脹的過程,等等。
這種機械觀,即把一切的物質(zhì)運動形式都歸為機械運動的觀點,把解釋機械運動問題所必需的絕對時空觀、原子論、由初始條件可以決定以后任何時刻運動狀態(tài)的機械決定論、事物發(fā)展的因果律等等,作為整個物理學(xué)的通用思考模式。可以認為,牛頓是開始比較完整地建立物理因果關(guān)系體系的第一人,而因果關(guān)系正是經(jīng)典物理學(xué)的基石。 牛頓在科學(xué)方法論上的貢獻正如他在物理學(xué)特別是力學(xué)中的貢獻一樣,不只是創(chuàng)立了某一種或兩種新方法,而是形成了一套研究事物的方法論體系,提出了幾條方法論原理。在牛頓《原理》一書中集中體現(xiàn)了以下幾種科學(xué)方法:
①實驗——理論——應(yīng)用的方法。牛頓在《原理》序言中說:“哲學(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力,而后用這些方去論證其他的現(xiàn)象。”科學(xué)史家 I.B.Cohen正確地指出,牛頓“主要是將實際世界與其簡化數(shù)學(xué)表示反復(fù)加以比較”。牛頓是從事實驗和歸納實際材料的巨匠,也是將其理論應(yīng)用于天體、流體、引力等實際問題的能手。
②分析——綜合方法。分析是從整體到部分(如微分、原子觀點),綜合是從部分到整體(如積分,也包括天與地的綜合、三條運動定律的建立等)。牛頓在《原理》中說過:“在自然科學(xué)里,應(yīng)該像在數(shù)學(xué)里一樣,在研究困難的事物時,總是應(yīng)當先用分析的方法,然后才用綜合的方法……。一般地說,從結(jié)果到原因,從特殊原因到普遍原因,一直論證到最普遍的原因為止,這就是分析的方法;而綜合的方法則假定原因已找到,并且已經(jīng)把它們定為原理,再用這些原理去解釋由它們發(fā)生的現(xiàn)象,并證明這些解釋的正確性”。 ③歸納——演繹方法。上述分析一綜合法與歸納一演繹法是相互結(jié)合的。牛頓從觀察和實驗出發(fā)。“用歸納法去從中作出普通的結(jié)論”,即得到概念和規(guī)律,然后用演繹法推演出種種結(jié)論,再通過實驗加以檢驗、解釋和預(yù)測,這些預(yù)言的大部分都在后來得到證實。當時牛頓表述的定律他稱為公理,即表明由歸納法得出的普遍結(jié)論,又可用演繹法去推演出其他結(jié)論。 ④物理——數(shù)學(xué)方法。牛頓將物理學(xué)范圍中的概念和定律都“盡量用數(shù)學(xué)演出”。愛因斯坦說:“牛頓才第一個成功地找到了一個用公式清楚表述的基礎(chǔ),從這個基礎(chǔ)出發(fā)他用數(shù)學(xué)的思維,邏輯地、定量地演繹出范圍很廣的現(xiàn)象并且同經(jīng)驗相符合”,“只有微分定律的形式才能完全滿足近代物理學(xué)家對因果性的要求,微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一”。牛頓把他的書稱為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》正好說明這一點。
牛頓的方法論原理集中表述在《原理》第三篇“哲學(xué)中的推理法則”中的四條法則中,此處不再轉(zhuǎn)引。概括起來,可以稱之為簡單性原理(法則1),因果性原理(法則2),普遍性原理(法則3),否證法原理(法則4,無反例證明者即成立)。有人還主張把牛頓在下一段話的思想稱之為結(jié)構(gòu)性原理:“自然哲學(xué)的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)的作用,并且盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法規(guī)和一般的定律——用觀察和實驗來建立這些法則,從而導(dǎo)出事物的原因和結(jié)果”。
牛頓的哲學(xué)思想和方法論體系被愛因斯坦贊為“理論物理學(xué)領(lǐng)域中每一工作者的綱領(lǐng)”。這是一個指引著一代一代科學(xué)工作者前進的開放的綱領(lǐng)。但牛頓的哲學(xué)思想和方法論不可避免地有著明顯的時代局限性和不徹底性,這是科學(xué)處于幼年時代的最高成就。牛頓當時只對物質(zhì)最簡單的機械運動作了初步系統(tǒng)研究,并且把時空、物質(zhì)絕對化,企圖把粒子說外推到一切領(lǐng)域(如連他自己也不能解釋他所發(fā)現(xiàn)的“牛頓環(huán)”),這些都是他的致命傷。牛頓在看到事物的“第一原因”“不一定是機械的”時,提出了“這些事情都是這樣地井井有條……是否好像有一位……無所不在的上帝”的問題,(《光學(xué)》,疑問29),并長期轉(zhuǎn)到神學(xué)的“科學(xué)”研究中,費了大量精力。但是,牛頓的歷史局限性和他的歷史成就一樣,都是啟迪后人不斷前進的教材。
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