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牛顿


“如果我看得远,是因为我站在巨人肩上。”

——艾萨克·牛顿(写给胡克的关于伽利略和开普勒的信。1676年)


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1643年,艾萨克·牛顿出生于英格兰林肯郡。这位英国著名的数学家、物理学家和百科全书式的“全才”,是世界科学史上最重要的人物之一。

牛顿是一个孤独、忧郁、难相处的人,且有着很强的的竞争意识。他运用数学的一系列简单的基本原理,解释了宇宙中一切物体所受到的引力,他还揭示了光的性质,著有《自然哲学的数学原理》、《光学》等著作。

1696年,牛顿开始担任英格兰皇家造币厂的厂长,主持了英国最大的货币重铸工作。他最早提出了金本位制度,并于1717年,将每盎司黄金的价格进行固定,为英国成为最早实行金币本位制国家打下了坚实的理论基础。

1703年,牛顿成为英格兰皇家学会会长,任职长达24年之久。

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【光线的色散】

1665年,伦敦爆发了大规模传染病,人们纷纷逃离伦敦以躲避鼠疫。当时在剑桥大学学习的牛顿,也返回了林肯郡的埃尔斯索普庄园。在这里,他对数学、光学、物理学、天文学和微积分学进行了研究。

在埃尔斯索普庄园期间,牛顿设计将一束光穿过百叶窗的缝隙,观察到光线变成了不同的颜色。他利用两个棱镜做实验,来说明白光可发散成一组不同颜色(即不同波长)的光束,且不会再分裂。这一重要发现成为了光谱分析的基础。在1704年出版的《光学》中,牛顿描述了这个发现。

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伦敦大瘟疫:

1665年至1666年间,发生在英格兰的大规模传染病,超过8万人死于这次瘟疫,相当于当时伦敦人口的五分之一。该次瘟疫后来被确认为是淋巴腺鼠疫,一种由鼠疫杆菌造成、并以跳蚤为载体的细菌感染。

伦敦大瘟疫与1347年至1353年期间侵袭全欧洲,并导致最少7500万人死亡的黑死病相比,规模要小得多,这场流行病被人们形容为大灾难的原因,很大程度是由于它是英国本土最后一次广泛蔓延的鼠疫。


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【反射式望远镜(牛顿望远镜)】

人类发明的第一架望远镜是折射望远镜,大约在1608年出现在荷兰。它的缺点是当光线通过透镜散成不同的颜色时,形成的图像看起来会很模糊。当时的人们只有通过加长望远镜的长度,来减小色散作用的影响。

1668年,牛顿设计了一架新的望远镜——反射式望远镜。这种望远镜通常利用一个凹的抛物面反射镜或球面反射镜,将进入镜头的光线汇聚后,反射到位于镜筒前端的一个平面镜上,然后再由这个平面镜,将光线反射到镜筒外的目镜里,这样就可以回避色散的影响。由于这个贡献,牛顿被选为皇家学会的会员。

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【《数学原理》(《自然哲学的数学原理》)】

天文学家埃蒙德·哈雷(1656-1742)劝说并支持牛顿出版发表他的想法,于是,《数学原理》于1687年出版。在这本书中,牛顿对万有引力定律和三大运动定律进行了描述,运用三个数学运动原理来解释作用力是怎样控制运动的物体的。这四条定律构成了一个统一的体系,被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”。牛顿的想法在很大程度上改变了人们对宇宙的理解,直到爱因斯坦的理论出现。

在《自然哲学的数学原理》中,牛顿使用拉丁单词“gravitas”(沉重)来命名重力、地心引力(现为gravity),并定义了万有引力。牛顿的万有引力定律是天体力学的基础。人造卫星、月球和行星探测器的轨道,都是以这个定律为基础来计算的。

有引力定律(Law of universal gravitation):存在于任何两个物体之间的由质量引起的相互吸引力,力的作用线约在两物体质心的连线上,其大小与两物体的质量成正比,与两物体的距离平方成反比。

牛顿运动定律(Newton's laws of motion):第一定律说明了力的含义:力是改变物体运动状态的原因;第二定律指出了力的作用效果:力使物体获得加速度;第三定律揭示出力的本质:力是物体间的相互作用。


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(戈特弗里德·威廉·莱布尼茨)

【微积分】

在数学上,牛顿与戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(德国)分享了发展出微积分学的荣誉。

莱布尼茨和牛顿各自独立地创造了微积分。牛顿对微积分的研究可能比莱布尼茨早,但是莱布尼茨所采取的表达形式更加合理,而且关于微积分的著作出版时间也比牛顿早。但谁是微积分的第一创造者,成了当时科学界争吵的一件大事。

这种争吵在他们各自的学生、支持者和数学家中持续了相当长的一段时间,造成了欧洲大陆和英国数学家们的长期对立。

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【炼金术】

17世纪,化学还没有从炼金术中脱离出来。牛顿花了30年时间炼金,在剑桥他的实验室里,进行了无数次实验和计算,并且全部都详细地记录了下来。就像大多数炼金术士一样,他努力想找到能够带给它的拥有者以智慧、并能把普通金属变成金子的“点金石”。

其实,直到19世纪之前,用化学方法制金的可能性都未能被科学证据否定,它一直都有广阔的市场。许多像艾萨克·牛顿这样的大科学家都认为:通过实验来制取黄金,是值得做的。

而现代的物理学家已经找到了通过核化学来炼金的方法。但是这种方法成本极高,产生的金子价值远远低于所要使用的器材、原料和能量所需的费用,是绝对的赔本买卖。


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