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2018年06月

牛顿时代 经典物理的开启

来源:科普中国   作者:
  
  1665年,一场瘟疫席卷英国。为了躲避瘟疫,一位22岁的年轻学子被迫离开剑桥大学,回到了阔别四年的家乡——沃尔索普。他将在家乡的农庄度过宁静的一年,然后,他却奇迹般地站在了那个时代的科学最前端。
  秋季的一天,年轻学子一边在苹果园里散步,一边思考着月亮围绕太阳转动的原因。正在这时,一只苹果恰巧落在了他的脚边。这是一个很寻常的瞬间,也是一个发现的瞬间,从苹果落地这一理所当然的现象中,他找到了苹果下落的原因——万有引力。是的,这颗“最著名的苹果”的故事可谓家喻户晓,虽然没有任何证据表明它是真实的,但人们依然津津乐道,因为故事的主人公是艾萨克·牛顿,全世界公认最有影响力的科学家。他提出过万有引力定律、力学三大定律、白光由各色光组成的理论,并开创了微积分学,1687年牛顿的巨作《自然哲学的数学原理》,开辟了大科学时代。
  家乡安静的环境和短暂的休养时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月,他的三大成就:微积分、万有引力、光学分析的思想就是在这时孕育成形的。可以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。
  1669年,牛顿的第一位导师伊萨克·巴罗为了提携牛顿而辞去了卢卡斯讲座教授之职,年仅26岁的牛顿晋升为剑桥大学卢卡斯讲座的数学教授,成为担任该职位最年轻的人。巴罗让贤,在科学史上一直被传为佳话。
  但是,牛顿并不善于教学,他在讲授微积分时,学生都接受不了。在牛顿的全部科学贡献中,数学成就占有突出的地位。而微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就。牛顿为解决运动问题,才创立这种和物理概念直接联系的数学理论的,牛顿称之为“流数术”。它所处理的一些具体问题,如切线问题、求积问题、瞬时速度问题以及函数的极大和极小值问题等,在牛顿前已经得到人们的研究了。但牛顿超越了前人,他站在了更高的角度,对以往分散的努力加以综合,将自古希腊以来求解无限小问题的各种技巧统一为两类普通的算法——微分和积分,并确立了这两类运算的互逆关系,从而完成了微积分发明中最关键的一步,为近代科学发展提供了最有效的工具,开辟了数学上的一个新纪元。
  1707年,牛顿的代数讲义经整理后出版,定名为《普遍算术》。书中陈述了代数基本概念与基本运算,用大量实例说明了如何将各类问题化为代数方程,同时对方程的根及其性质进行了深入探讨,引出了方程论方面的丰硕成果。
  牛顿对解析几何与综合几何都有贡献。他在1736年出版的《解析几何》中引入了曲率中心,给出密切线圆(或称曲线圆)概念,提出曲率公式及计算曲线的曲率方法。并将自己的许多研究成果总结成专论《三次曲线枚举》,于1704年发表。此外,他的数学工作还涉及数值分析、概率论和初等数论等众多领域。
  牛顿是经典力学理论的开创者。他系统地总结了伽利略、开普勒和惠更斯等人的工作,得到了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律。
  他认为太阳吸引行星,行星吸引行星,以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力,还用微积分证明了开普勒定律中太阳对行星的作用力是吸引力,证明了任何一曲线运动的质点,若是半径指向静止或匀速直线运动的点,且绕此点扫过与时间成正比的面积,则此质点必受指向该点的向心力的作用,如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比,则向心力与半径的平方成反比。牛顿还通过了大量实验,证明了任何两物体之间都存在着吸引力,总结出了万有引力定律。
  牛顿运动三定律是构成经典力学的理论基础。这些定律是在大量实验基础上总结出来的,是解决机械运动问题的基本理论依据。
  在光学方面,牛顿也取得了巨大成果。他利用三棱镜试验了白光分解为的有颜色的光,最早发现了白光的组成。他对各色光的折射率进行了精确分析,说明了色散现象的本质。他指出,由于对不同颜色的光的折射率和反射率不同,才造成物体颜色的差别,从而揭开了颜色之迷。牛顿还提出了光的“微粒说”,认为光是由微粒形成的,并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后来惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。此外,他还制作了牛顿色盘和反射式望远镜等多种光学仪器。
  牛顿的研究领域非常广泛,他在几乎每个他所涉足的科学领域都做出了重要的成绩。他研究过计温学,观测水沸腾或凝固时的固定温度,研究热物体的冷却律,以及其他一些只有在与他自己的主要成就想比较时,才显得逊色的课题。
  最初,牛顿并不愿意发表他的观察所得,他的发现都只是一种个人的消遣,为的是使自己在寂静的书斋中解闷。他独自遨游于自己所创造的超级世界里。后来,在好友哈雷的竭力劝说下,勉强同意出版他的手稿,才有了划时代巨著《自然哲学的数学原理》的问世。
  1687年,牛顿出版了代表作《自然哲学的数学原理》,这是一部力学的经典著作。牛顿在这部书中,从力学的基本概念和基本定律出发,运用他所发明的微积分,建立了经典力学的完整而严密的体系,把天体力学和地面上的物体力学统一起来,实现了物理学史上第一次创造性的大综合。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为现代工程学的基础。
  在迈克尔·怀特所著的《100位杰出人物》一书中,艾萨克·牛顿被列为最具影响力人物之第二,排在穆罕默德之后,耶稣基督之前。能够获得如此殊荣,可见他对科学发展对贡献之大。
文章转载自科普中国