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主题:物理学家牛顿

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物理学家牛顿  发帖心情 Post By:2008-5-2 14:00:00

古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪中埋没风尘,黯然失色。15世纪,文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上,自然科学获得新的生命,蓬勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。一场科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的层层罗网,不断取得胜利。
牛顿──伟大的科学家,经典物理学理论体系的建立者──正是在欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代诞生的。

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        家世和生平
1643年1月4日(儒略历1642年12月25日)牛顿诞生于英格兰林肯郡的小镇乌尔斯普的一个自耕农家庭。牛顿出生之前,父亲已去世。牛顿生而孱弱,过了3年,他的母亲再嫁给一位牧师,把孩子留在他祖母身边抚养。8年之后,牧师病故,牛顿的母亲带着后夫所生的一子二女又回到乌尔斯索普。牛顿自幼沉默寡言,性格倔强,这种习性可能来自他的家庭处境。牛顿少年时代喜欢摆弄机械小技巧。传说他做过一架磨坊的模型,动力是小老鼠;有一次他放风筝时,在绳子上悬挂着小灯,夜间村人看去惊疑是彗星出现。他喜欢绘画、雕刻,尤喜欢刻日晷,家里墙角、窗台上到处安放着他刻划的日晷,用以验看日影的移动,以知时刻。12岁进离家不远的格兰瑟中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民,能赡养家庭,但牛顿本人却无意于此而酷爱读书,以致经常忘了干活。随着年岁增大,牛顿越发爱好读书,喜欢沉思,做科学小试验。他在格兰瑟姆中学读书时,曾寄寓在一位药剂师家里,使他受到化学实验的熏陶。牛顿在中学时代学习成绩并不出众,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,尤好几何学、哥白尼的日心说等等。他还分门别类地记读书心得笔记,又喜欢别出心裁地做些小工具、小技巧、小发明、小试验。当时英国社会渗入基督教新教思想,牛顿家里有两位都以神父为职业的亲戚,这可能影响牛顿晚年的宗教生活。从这些平凡的环境和活动中,看不出幼年的牛顿是一个才能出众异于常人的儿童。然而格兰瑟姆中学的校长J.斯托克斯,还有牛顿的一位当神父的叔父W.艾斯库别具慧眼,鼓励牛顿上大学读书。牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位。17世纪中叶,剑桥大学的教育制度还浸透着浓厚的中世纪经院哲学的气味。当牛顿进入剑桥大学时,那里还在传授一些经院式课程,如逻辑、古文、语法、古代史、神学等等。两年之后三一学院出现了新气象。H.卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座,规定讲授自然科学知识如地理、物理、天文和数学课程。讲座的第一任教授I.巴罗是一位博学的科学家。就是这位教师把牛顿引向自然科学。在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,学习了欧几里得的《几何原理》。他又读了开普勒的《光学》,笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的》,R.胡克的《显微图集》,还有皇家学会的历史和早期的《哲学学报》等。牛顿在巴罗的门下学习,是他学习的关键时期。巴罗比牛顿大12岁,精于数学和光学,他对牛顿的才华极为赞赏,他认为牛顿的数学才能超过自己。1665~1666年伦敦大疫。剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校停课。牛顿于1665年 6月回到故乡乌尔斯索普。

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由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养,对探索自然现象产生极为浓厚的兴趣。就在1665~1666年这两年之内,他在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进前人没有涉及的领域,创建前所未有的惊人业绩。1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则。同年11月,创立正流数法(微分);次年 1月,研究颜色理论;5月,开始研究反流数法(积分)。这一年内,牛顿还开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运行轨道上去。他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说,说的也是在此时发生的轶事。总之,在家乡居住的这两年中,牛顿以比此后任何时候更为旺盛的精力从事科学创造,并关心自然哲学问题。由此可见,牛顿一生的重大科学思想是在他青春年华、思想敏锐短短两年期间孕育、萌发和形成的。
1667年牛顿重返剑桥大学,10月1日被选为三一学院的仲院侣,次年 3月16日选为正院侣。当时巴罗对牛顿的才能有充分认识。1669年10月27日巴罗便让年仅26岁的牛顿接替他担任卢卡斯讲座的教授。牛顿把他的光学讲稿(1670~1672)、算术和代数讲稿(1673~1683)《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)的第一部分(1684~1685),还有《宇宙体系》(1687)等手稿送到剑桥大学图书馆收藏。1672年起他被接纳为皇家学会会员,1703年被选为皇家学会主席直到逝世。其间牛顿和国内外科学家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E.哈雷、胡克、C.惠更斯、G.W.F.von莱布尼兹和J.沃利斯等。牛顿在写作《原理》之后,厌倦大学教授生活,他得到在大学学生时代结识的一位贵族后裔C.蒙塔古的帮助,于1696年谋得造币厂监督职位,1699年升任厂长,1701年辞去剑桥大学工作。当时英国币制混乱,牛顿运用他的冶金知识,制造新币。因改革币制有功,1705年受封为爵士。晚年研究宗教,著有《圣经里两大错讹的历史考证》等文。牛顿于1727年 3月31日(儒略历20日)在伦敦郊区肯辛顿寓中逝世,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂。


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《光学》和反射式望远镜的发明,光学和力学一样,在古希腊时代就受到注意。用于天文观测的需要,光学仪器的制作很早就得到了发展,光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名,但折射定律直到牛顿出生之前不久才为荷兰科学家W.斯涅耳所发现。玻璃的制作早已从阿拉伯辗转传入西欧。16世纪荷兰磨制透镜的手工业大兴。把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。枷利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会聚透镜组成的开普勒望远镜。两种望远镜都无法消除物镜的色散。牛顿发明以金属磨成的反射镜代替会聚透镜作为物镜,这样就避免了物镜的色散。当时牛顿制成的望远镜长6英寸,直径1英寸,放大率为30~40倍。经过改进,1671年他制作了第二架更大的反射式望远镜,并送到皇家学会评审。这台望远镜被皇家学会作为珍贵科学文物收藏起来。为了制造反射式望远镜,牛顿亲自冶炼合金和研磨镜面。牛顿自幼爱好动手制模型,做试验,这对他在光学实验上的成功有极大帮助。光的颜色问题早在公元前就有人在作猜测,把虹的光色和玻璃片的边缘形成的颜色联系起来。从亚里士多德以来到笛卡儿都认为白光是纯洁的、均匀的,是光的本质,而色光只是光的变种。他们都没像牛顿那样认真做过实验。

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大约在1663年,牛顿即开始热衷于光学研究,磨玻璃、制作望远镜也在这个时期。1666年,他购得一块玻璃三棱镜,开始研究色散现象。为了这个目的,牛顿在他的《光学》一书中写道:“把我的房间弄暗,在我的窗板上开一个小孔,以便适量的太阳光射入室内,就在入口处安置我的棱镜,光通过棱镜折射达到对面的墙上。”牛顿看到墙上有彩色的光带,光带之长数倍于原来的白光点,他意识到这些彩色就是组成白色太阳光的原始光色。为了证明这一点,牛顿进一步做实验。在光带投射的屏上也打一个小孔,让光带中彩色的一部分穿过第二个小孔,经过放在屏后的第二个棱镜折射投到第二个屏上,又让第一棱镜绕它的轴缓慢转动,只见穿出第二个小孔落在第二屏上的像随着第一棱镜转动而上下移动。于是看到,为第一棱镜折射最大的蓝光,经过第二棱镜也是折射得最大;反之,红光被前后两个棱镜折射得最小。于是牛顿作出结论:“经过第一棱镜折射后所得长方形的彩色光带不是别的,正是由不同的彩色光所组成的白色光经折射而形成的。”也就是说:“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非均匀的混合体。”这就是牛顿的光色理论。它是通过实验建立起来的,牛顿自称这个实验为“关键性实验”。这个实验可说是一个半世纪后 J.von夫琅和费建立光谱术的基础。事实上牛顿在他的《光学》第 1卷命题4问题1中用过1~2英寸长、宽仅1/10或1/20英寸的长方形的孔代替小圆孔,他说所得结果较前更清晰,但没有夫琅和费线的记载。牛顿在这方面做了大量的实验之后,于1672年把他的结论用书信形式送交皇家学会评审。不料竟引起一场尖锐的论战。当时惠更斯反对他,胡克攻击他尤甚。早在1665年胡克就在英国提出光的波动理论,这只是一个假说。惠更斯则把它完整起来,认为空间的以太是无所不在的,他把以太作为振动的媒质,把媒质的每一个质点都看成一个中心,在中心的周围形成一个波,惠更斯成功地用这个物理图像来解释光的反、折射、还以此来研究冰洲石的双折射(但是光的波动学说的确立还有待于一个半世纪之后由英国的T.杨的干涉实验来证明)。牛顿则持光的微粒说,他认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射,甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪发现的“衍射”现象。但对薄膜形成的彩色,牛顿则承认微粒说不如波动说解释得明快。微粒说与波动说之争在当时是十分激烈的,双方争论持续多年。当年光的微粒说与波动说之争,现在可以引用E.T.惠特克的话来结束这桩公案:“当A.爱因斯坦以M.普朗克的量子原理来解释光电效应,光的微粒思想经过一个世纪的沉寂而在1905年又获得了新生,并因此而导致光量子存在的基本原理。他的思想为实验所充分肯定,特别是光子与电子碰撞所产生的康普顿效应服从经典的碰撞力学定律。而同时,关于光的波动性的实验并没有失效,于是我们不得不承认波动说和微粒假说都是正确的。”无疑,牛顿的《光学》(Opticks)是和他的《原理》同为物理学的巨著,也是科学界的经典著作。《光学》第一版印于1704年,在胡克逝世之后问世。《光学》最后部分以独特的形式附上一份著名的“问题”表,共提出31个“问题”(第一版提出16个“问题”)。在“问题”中所谈到的不仅是光的折射、反射等,还涉及光与真空,甚至重力、天体等问题。在多处谈到光的波动,涉及太阳光与物质的相互作用等问题,这些问题涉及物理学的诸多方面,富有启发性,后人评价这些“问题”是《光学》中最重要的部分,并非虚语。牛顿在《光学》一书中凭借实验的结果与分析,建立了光的理论。但在全书中没有提起不同玻璃具有不同折射率,在全书中也没有做消色差的实验,这或许是由于他当时还没有获得不同质玻璃的三棱镜的缘故。但是牛顿制造反射式望远镜来避免物镜的色散,却是个妙法,迄今大型望远镜的制造还遵从此法。牛顿死后3年(1730)出版了经牛顿生前订校过的《光学》第 4版。现在流行的1931年版本就是根据第4版重印的。

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爱因斯坦在为牛顿《光学》1931年重印本所作的序中说:“牛顿的时代早已被淡忘了……牛顿的各种发现已进入公认的知识宝库,尽管如此,他的光学著作的这个新版本还是应当受到我们怀着衷心感激的心情去欢迎的,因为只有这本书才能使我们有幸看到这位伟大人物本人的活动。”
万有引力定律和《自然哲学的数学原理》,16世纪丹麦天文学家第谷对行星绕日运行作了长年累月的观测,他死后德国天文学家开普勒整理并分析了第谷的20年的观测记录,总结出行星运动的著名开普勒三定律。这个发现不仅为经典天文学奠定了基础,更重要的是导致了其后万有引力定律的发现。开普勒在得出行星运动三定律之前,1596年曾提出关于太阳行星间的吸引作用的思想;随之提出物体作圆周运动时出现离心力问题。一般认为伽利略已领悟到离心力,但对它作进一步的认识和计算则有待于牛顿。1664年 1月20日牛顿在他的《算草本》上已提出如何计算物体作圆周运动时的向心力的具体方法。牛顿把推导、计算方法详尽地写入他的《原理》(第 3版)第一编第二章命题4定理4下面推论1中,明确地指出:“因此,由于这些圆弧代表运动物体的速度,向心力就是这个速度的平方除以圆周半径。”从这里可以看出,向心力的求得对于距离平方反比定律的推导是不可少的。顺便提一下,惠更斯从不同途径推导得离心力方程和牛顿的相似,结果于1673年发表。牛顿虽在早年的《算草本》上提出求向心力的方法,但他自己说“惠更斯先生后来所发表的离心力理论,我相信在我之前”。引人注意的是,在《原理》第一编和第三编中,凡提到轨道运行时,牛顿都没有提及离心力一词,总是强调拉向轨道中心的向心力。

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关于引力反比于距离平方定律,历史上记载了当时对此发明权的争论,有人以为距离平方反比定律可以从开普勒第三定律直接推出,但缺乏向心力的概念和运动,不可能推出这定律。而向心力的概念与运算都是牛顿最早做出来的。长牛顿7岁的胡克当年就宣称他早已知道引力反比于距离平方定律,但提不出证据来。当《原理》第1版在印刷时,胡克通过哈雷向牛顿要求分享此定律的发明权。牛顿加以拒。在《原理》(第 3版)上述命题 4下的注释中提到距离平方反比定律适用于天体运动时,牛顿说:“雷恩爵士、胡克博士和哈雷博士曾分别注意过。”同时也提及“惠更斯先生在他的出色著作《钟摆的振荡》中曾把重力比之于旋转体的离心力”。这样,人们对距离平方反比定律的发明权就有所了解了。有人认为,1666年牛顿在乌尔斯索普家中试图以地球表面大圆弧上 1度的长度为60英里来计算月地之间的引力;通过实际计算,月球绕地球的周期与实际不能符合,算稿便弃置一旁。

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1682年牛顿获悉J.皮卡德的地球经度 1度之长为69.1英里的数据,便重行计算,才使计算与实际观测相吻合。牛顿把日常所见的重力和天体运动的引力统一起来,在科学史上有特别重要的意义。行星绕日运动的轨道究竟是什么样?这是当时科学界所关心的问题。这问题答案的公开和《原理》的出版密切相关,科学史上已有生动的记载。1684年1月C.雷恩、哈雷和胡克 3位英国当时科学界著名人士在伦敦相叙讨论行星运动轨道问题。胡克虽说他已通晓,但拿不出计算结果。于是牛顿的好友哈雷专程去剑桥请教牛顿。牛顿告诉哈雷他自己已计算过了,肯定地说,行星绕日轨道是椭圆;但手稿压置多年一时找不到,应允重行计算,约期3个月后交稿。哈雷如约再度访剑桥,牛顿交给一份手稿《论运动》,哈雷大为赞赏。牛顿在此稿基础上另写一书《论物体运动》,1684年12月送交英国皇家学会。此书第一部分主要相当于后来的《原理》第一编及第二编;而其余部分成为《原理》的第三编。哈雷怂恿牛顿写成《原理》全书公开出版,由他出资印刷,并亲自督校。1687年7月《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturaalis Principia Мathematica)第1版问世, 时距1664年牛顿开始思考并进行草算已23年。《原理》第2版于1713年出版,第3版于1725年出版(见彩图牛顿名著《原理》(1686)扉页)。《原理》原用拉丁文写成。牛顿逝世后2年由A.莫特译成英文付印,即今所见的流行的《原理》英文本。《原理》第一编之前有两部分重要的论述。第一部分为定义。定义共8条,其中有关向心力的有5条。他说,施加于物体的力有不同来源,例如撞击、压力和向心力。向心力一词是牛顿创造的(在另一场合即惠更斯称之为离心力的补充词)。牛顿在定义一章中有长篇诠释,其中提到了一个假想实验:“在高山上发射炮弹、炮力不足,炮弹飞了一阵便以弧形曲线下落地面。假如炮力足够大,炮弹将绕地球面周行,这是向心力的表演。”今日人造卫星的设想在那时牛顿的脑子里已浮现出来了。在定义一章中牛顿尽情阐述了他的时空绝对性概念。他对人们熟知的空间与时间,择名绝对空间和绝对时间。牛顿认为,只有在绝对空间中绝对运动才可以觉察,特别是在物体旋转时。当时惠更斯和英国大主教G.贝克莱对此表示疑问。无论如何,这短短一章定义表达了牛顿对力与时空的基本观点,是研究牛顿的重要原始文献。


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在第一编之前,除定义一章外,还有公理或称运动定理一章。在这章里牛顿阐述著名的运动三定律(见牛顿运动定律)。第一运动定律一般称作惯性定律,通常认为已由伽利略和笛卡儿所道出。为了要变更物体运动方向(或称变更运动速度)必须有外力作用,这其间必然会产生质量的概念。质量(原文物质的量)这个基本概念是由牛顿在《原理》第一编定义章中首先提出的,成为物理学中最基本概念之一。他清楚地把质量和重量区分开来,阐明了在各种不同环境中两个量的相互关系。在力学中牛顿用质量表示物体的特征。爱因斯坦指出:“只有引进质量这一新概念之,他(牛顿)才能把力和加速度联系起来。”动量一词牛顿也作了定义。牛顿指出,动量是衡量物质运动的量,它联系物质与运动两个量;物质加倍,动量加倍;物质与运动都加倍;动量即为原来的4倍。随后阐述动量守恒。牛顿在运动三定律之后有7个推论,其中论述到两力同时作用一物体上,则物体加速度方向和力的合成都在两力平行四边形的对角线上。此后还有一段很长的诠释,总论运动三定律的联系性,还用两摆的弹性碰撞和非弹性碰撞实验来阐述运动守恒并说明第二定律和第三定律之间的关系。从上面看,牛顿运动三定律不是分立的,而是相关的。牛顿早年在《算草本》中以碰撞实验研究力,在《原理》中他强调以“冲量”作为力的概念。随后发展这个概念,说无限短促间隙的相关系列冲量就成为连续作用力。这句话就包含以微分形式表达力的定义。


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牛顿设想,一质点在直线上作惯性运动,这质点和线外某一定点相联,在相等时间内这联线扫过的面积必然相等;如果在线上某点遇到一个外力,则质点要偏向质点原运动方向与外力方向之间的某一方向上运动。牛顿用他创造的无限小概念极限的方法最终证明了:一个运动着的质点,受到某个定点的外力作用,如果这个外力在质点和定点的联线上,而且力的强度反比于距离二次方,那么这质点运动轨迹很可能是个椭圆,这定点就是椭圆的焦点。于此,牛顿得出行星与太阳之间联线所扫过的面积必然和时间成比例。牛顿又设想,质点在椭圆上从一点经过无限短时间运行,这质点在短暂时间运行所到之处偏离切线的距离反比于从焦点到该点的距离平方。而当椭圆上两点相接近时,牛顿得出,在这极限情况下开普勒的面积定律是关键条件。总之,牛顿得到如下结论:假如面积定律有效,椭圆形轨道意味着指向焦点的力必然反比于距离平方。牛顿于是着意证明,面积定律是作用在运动物体的力指向中心的充分和必要条件。这揭示了开普勒的第一、第二两定律的重要性。《原理》第二编论述在有阻力媒质(气体、液体)内的质点运动。牛顿在这里用了更多的数学方法,而物理涵义较前为少。在第一编里牛顿费尽心力用各种方法证明宇宙间引力(向心力)之存在;而在第二编里,牛顿设想,在媒质中阻力与物体运行速度成正比;又设想与速度平方成正比;甚至认为一部分为速度之比,另一部分为速度平方之比。他还论证过一些其他的问题。在这些工作中牛顿以数学技巧来处理一些看来无实际物理意义的问题。他还研究了气体的弹性和可压缩性。在《原理》第二编中,牛顿用摆在流体中的运动实验测定重量(即地球引)和惯性大小的关系。在经典物理学中这两个量只能由实验来测定。关于声学的研究,《原理》第二编中记载了牛顿从理论上研究声速(见定理48、49、50),所得结果比实测低16%。他认为声速正比于所谓“弹性力”的方根而反比于媒质密度方根。牛顿又研究了声传播的形式,他说声的传播是空气的脉动所致,指出波的脉动只是媒质中质点上下交替运动,与摆的运动无异。在第二编最后文字中牛顿澄清了涡旋假设与天体运动无关。牛顿原想把《原理》第三编写成一般性的总结。但后来改变了计划,标题为“宇宙体系”。在这编里讨论了太阳系的行星、行星的卫星、彗星的运行,以及海洋潮汐的产生。他把这些作用的力叫做引力,即今所谓万有引力。他解释引力是两物体间相互作用的力,太阳对行星有引力使之在轨道上运行,同时行星对太阳也有作用力,这是运动第三定律规定的。只是太阳与行星的质量悬殊太大,太阳的运动微乎其微。行星之间运动相互受到引力干扰,所谓多体问题中的摄动,牛顿在第三编中阐述了太阳对月亮的摄动,土星对木星的摄动。在第三编中还计算了木星卫星的距离与卫星运转周期,作为开普勒第三定律的实例。

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