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         學(xué)校教室標(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jì)》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(jì)以來，原有的幾何和代數(shù)已難以解決當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)副標(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jì)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?？梢哉J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(dāng)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(dāng)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(dāng)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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