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第五回     站 在“巨人”肩膀上的牛顿

(2007-12-04 09:17:23)
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知识/探索

第五回     站 在“巨人”肩膀上的牛顿

 

这是一棵苹果树,一棵特殊的苹果树。请听听与这棵苹果树有关的故事吧!

 1643年1月4日,在英格兰林肯郡小镇伍尔索普的一个自耕农家庭里,牛顿诞生了。牛顿是一个早产儿,出生时只有三磅重,接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨人,并且竟活到了85岁的高龄。

 小牛顿出生三个月之前,父亲就已经去世,其时他的生身父母结婚不过半年多。随后的母亲改嫁,小牛顿一直跟着外祖母长大。直到12岁那年,继父去世,小牛顿才回到母亲身边,却惊奇地发现自己多了三个弟妹。

这一切不幸遭遇,给牛顿终身带来了极大的影响,使得他沉默寡言,性格怪癖,不讨人喜欢。

大约从五岁开始,牛顿被送到公立学校读书。少年时的牛顿并不是神童,他资质平常,成绩一般,但他喜欢读书,喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物,并从中受到启发,自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意,如风车、木钟、折叠式提灯等等。

   牛顿12岁时进了离家不远的格兰瑟姆中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民,但牛顿本人却无意于此,而酷爱读书。随着年岁的增大,牛顿越发爱好读书,喜欢沉思,做科学小实验。他在格兰瑟姆中学读书时,曾经寄宿在一位药剂师家里,使他受到了化学试验的熏陶。

    牛顿在中学时代学习成绩并不出众,甚至一度是班里的倒数第二,只是爱好读书,对自然现象有好奇心,例如颜色、日影四季的移动,尤其是几何学、哥白尼的日心说等等。他还分门别类的记读书笔记,又喜欢别出心裁的作些小工具、小技巧、小发明、小试验。一次他与一个欺负他的“小混混”干过一架之后,爆发了强烈的上进心,从此成绩一跃前茅。之后以优异成绩被荐入剑桥大学三一学院,开启了天才的世纪。

    去吧,牛顿!这是一个属于你的世纪,一个属于你的时代!你将改变整个世界,改变整个科学史,改变整个人类历史!是的,历经千锤百炼,火凤凰终于要浴火而出!

1665到1666年间,剑桥发生了一场大瘟疫,学校被迫停课。牛顿也因此回到外祖母的小村庄那里。事实证明,在某种程度上,我们应该感谢那一场灾难,正是在这18个月里,牛顿在闲适的生活中度过了他一生中最具创造力的时间,创造了一个奇迹年。

我们来看一下吧:1665年初,发现逼近级数法;1665年5月,发现切线方法;1665年11月,得到直接流数法(微分);1666年1月,提出颜色理论;1666年5月,反流数方法(积分);1666年,万有引力定律初步形成;…… 

伟大的天才,伟大的发现啊!我们由衷地向牛顿至以最崇高的敬意!

话说有一日,牛顿坐于苹果树下,苦苦思索一些物体运动的问题。突然,一个熟透了的苹果从树上掉了下来,不偏不倚正好砸在牛顿的头上,这一砸可不得了!砸他个灵光顿闪:为什么苹果会掉下来,而不是飞天上去呢?为什么月亮不会像苹果那样掉下来呢?要是树长到月亮那么高,苹果还会掉回来吗?苹果跟月亮背后有什么联系吗?或更甚一步,地上的物体跟天上的物体背后有什么联系吗?

苹果的故事是真是假的尚无明确的考证,但是,无可否认,它给我们带来极大的神往和鼓舞,激励着一代又一代的朋友勇往直前。历史固然重要,但是,我们一样需要科学的激励和鼓舞。

这是一个阳光明媚的下午,在苹果树下,牛顿豁然开朗。“我开始想到引力延伸到月球轨道,并且由开普勒定律、行星运动周期倍半正比于它们到轨道中心距离,我推导出使行星维系于其轨道的力,必定反比于它们到其环绕中心距离的平方。因而,对比保持月球在其轨道上的力与地球表面上的重力,我发现它们相当相似。”牛顿后来如是说。(引自《自然哲学之数学原理》)

“站在巨人的肩膀上”,牛顿创造性地发现了万有引力,即任意两个有质量的物体之间都存在相互吸引的力。

 1687年,是人类应当用黄金来书写的一年。 这一年,牛顿出版了他的光辉巨作——《自然哲学之数学原理》。在这一元典中,他提出了奠定经典力学基础的牛顿运动三大定律以及万有引力定律。

关于牛顿运动三大定律,诸位在课堂上肯定是接触过、了解过的,因而,你完全可以跳过去,它不会影响我们后面的旅程。在这里,我还是要把它写下来,因为它是人类思想的精华和巅峰。

牛顿第一定律(惯性定律) 每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。

牛顿第二定律 运动的变化(率?)正比于外力,变化的方向沿外力作用的直线方向。

牛顿第三定律 每一种作用都有一个相等的反作用;或者,两个物体间的相互作用总是相等的,而且指向反向。(引自《自然哲学之数学原理》)

而牛顿的万有引力定律说的是:任意两个有质量的物体间都存在着相互吸引的力,其大小与两物体的质量之积成正比,与其距离之平方成反比。

 好,咱们继续前行。

一开始不被人信服、理解,在嘲讽中成长,最后赢得世人无上的赞赏和荣耀。这是诸多理论的必由之路。万有引力定律也不例外。然而,历史的车轮滚滚前行,每一样事物最终都会得到它应有的位置。

1781年,英国天文学家威廉·赫歇耳利用望远镜发现了太阳系的第七大行星——天王星。所有人都在期待下一颗行星的登场,然而一无所获。

1821年,人们在计算和观察中发现,天王星的轨道与牛顿万有引力定律的预言有很大偏差,什么原因呢?

一个可能,牛顿错了。另一个可能,牛顿是对的。如果是这样的话,那就应该有一个未知的天体影响了天王星的运动。是对是错?历史的判决还是交给实验。在这千钧一发的时刻,英国剑桥大学学生亚当斯(嘿嘿,牛顿的校友,或者师弟)和法国天文学家勒维烈分别独自经过辛苦的计算,得到了这个未知天体的参数。1846年9月23日,柏林天文台。漆黑的夜晚。两个青年屏住呼吸,小心翼翼地对准了他们计算得到的位置。然后有这样一段对白:

“老兄,是这里吗?”

“我看有点像!” 

“确定一点,好像……” 

“我说兄弟呀,是它吧……应该是的!”

“我没有眼花吧?” 

“……” 

 历史翻开新的一页,在上面重重地写上:1846年9 月23日,亚当斯和勒维烈发现了人类的第八颗行星——海王星。

 牛顿胜利了! 物理学胜利了!人类胜利了! 这是一次理论预言的光辉典范。人类用他们对大自然的理解和自己的逻辑能力,窥见了上帝的运作秘密! 我们有理由为牛顿自豪!我们有理由为牛顿喝彩!海王星的发现极大地支持了万有引力定律,人们逐渐消除了对它的怀疑,并在它的指引下,继续像未知领域进发!

回到牛顿身上。由于在科学上的造诣,尤其是《自然哲学之数学原理》的发表之后,牛顿受到众人的仰慕,震惊了全世界。各国的科学家、元首和贵族都纷纷慕名前来拜访,甚至以见过牛顿为荣。(看来研究科学,赚得也不错……) 

牛顿还担任了剑桥大学的卢卡斯数学教授(现在坐镇这一职位的是大物理学家霍金),并且当选为英国皇家学会会长(曾经是胡克的高椅)。 

除了这些在科学界的荣耀之外,牛顿在政界混得也不赖。1689年,国会议员;1696年,造币局总监;1701年,国会议员;1705年,受女王册封成为爵士。

与此同时,牛顿的嘴皮子也不闲着。为了争夺微积分的发明权,牛顿一直跟莱布尼茨纠缠不清,争论不休。(莱布尼茨是德国人,他与牛顿关于微积分发明权的争论也成了数学界的一桩公案,现在认为,莱布尼茨与牛顿各自独立发明了微积分,两人都是微积分的创始人。)    研究炼金术、上帝和《圣经》,也是牛顿后半世的重要节目。(这个有点不好说……) 

牛顿还是个“钻石王老五”,终生未娶。(搞科学得献身哪!)

苹果树下。

一丝夕阳的余晖微弱地透过苹果树叶的空隙,隐约地照在一本画了很多几何曲线的书上。

牛顿拖着疲倦的身子靠在树边,看着手里的——是自己的心血——《自然哲学之数学原理》。 
 一幕幕往事涌上了心间。

 曾经我被父亲抛弃…… 

 曾经我在外祖母手把手下学习、写字……

 曾经我跟那位同学决斗…… 

 曾经我在这棵苹果树下……

 曾经我与胡克争吵…… 

 曾经我在多少个不眠夜晚挑灯书写《自然哲学之数学原理》……

 曾经我接受无上的荣耀……

 曾经我被陛下授予爵士……

 曾经我与莱布尼茨论剑……

 曾经我……

 哎——奔波一生,荣誉万千!心中困惑,不知遂否? 
牛顿抬起头,长吁了一口气。

可惜,炼丹术还没有结果。可惜,我还没有找到上帝的足迹。可惜,流数(微积分)的优先权还在争论。可惜,当年与胡克的针锋…… 

一阵微风吹过,翻动了书页,最后停在开头的几页上。

这一页写的不是别的,上面正是第一定律:

每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。

牛顿看了一下,脸上闪过一丝微笑。他想:不知,我的定律会不会遇到外力呢?几百年后它还是现在的状态吗? ……

1727年3月20日,牛顿离开人世,享年85岁。英国王室为这位人类最伟大的科学家举行了国葬。同其他很多杰出的英国人一样,他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着:

让人们欢呼这样一位多么伟大的

人类荣耀曾经在世界上存在。

现在我们还是先来看看牛顿以后物理学的发展。牛顿运动定律和万有引力定律的建立,标志着完整的经典力学体系的形成,人们第一次统一了那么广阔的物理帝国,从天上到地下,从地球到遥远的恒星,无不划进我们的疆域之中。从此以后,物理学成为了一门成熟的自然科学,繁衍生息,一直到今天。在这一意义上,牛顿功不可灭。围绕着牛顿建立起来了经典力学体系,后来的物理学家们先后从动量、能量角度描述了牛顿定律,从17世纪到19世纪,陆续建立起了分析力学、刚体力学、弹性力学、流体力学……这都是从牛顿三大定律的基础上发展起来的。

朋友,看了牛顿的生平事迹,正象他自己所说的那样,“如果说我看得远,那是因为我站在巨人的肩上”。

  牛顿的研究领域非常广泛,他除了在数学、光学、力学等方面做出卓越贡献外,他还花费大量精力进行化学实验。他常常六个星期一直留在实验室里,不分昼夜的工作。他在化学上花费的时间并不少,却几乎没有取得什么显著的成就。为什么同样一个伟大的牛顿,在不同的领域取得的成就竟那么不一样呢?

    其中一个原因就是各个学科处在不同的发展阶段。在力学和天文学方面,有哥白尼、伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的努力,牛顿有可能用已经准备好的材料,建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。而在化学方面,因为正确的道路还没有开辟出来,牛顿没法走到可以砍伐材料的地方。

牛顿是站在哥白尼、伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等巨人的肩上!

最后,我们用这样值得回味的话来作结束。

前苏联斯托列托夫曾经说过:“我们看到,小溪是怎样汇集成大河,大河又是怎样汇集成大海的,……而在这些小溪的各个源头上要永远铭刻上同一个不可忘却的名字——牛顿” 。

但是,牛顿告诉德勒姆(Dreham)说:“为了避免让那些在数学上知之甚少的人损害我的思想,我故意把《原理》写得深奥一些。”

这一“故意”被后来者仿效和滥用。也就是说,有些人只强调事物的数学原理,而不管其物理实质,把一些本来十分简单的东西弄得复杂无比,不可理喻。其复杂程度足可以把牛顿经典力学大厦全部推倒!这大概是牛顿所没有想到的,也不是牛顿所愿意想到的吧?

 

 

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