科学巨人牛顿
艾萨克·牛顿(1642~1727年)是人类历史上少数几位可被称为天才的科学家之一,他在数学领域作了基础性的研究,而在其他领域,他提出的一系列定律成为天文学、物理学的基石。同时,他也是历史上首位荣获骑士勋章的科学家。为了纪念这位伟大的科学家对科学发展所作出的贡献,现代国际单位中“力”的单位就是“牛顿”。
1642年12月25日,艾萨克·牛顿生于英国东部林肯郡,自幼由祖母养大,就读于当地学校,后进入久负盛名的剑桥大学三一学院深造,并于1665年获得学士学位。之后由于伦敦爆发大规模瘟疫,牛顿被迫返回乡下居住,而在此期间,他专注于研究数学,推导出有关“流数”(即“微分”,又称“导数”)的主要原则,奠定了微分学的基础。
艾萨克·牛顿的著作《自然哲学的数学原理》是科学史上最为重要的巨著之一。该书涉及天文学、数学以及物理学的相关理论与原理。
1667年,牛顿成为三一学院研究员,并于1669年成为该学院的数学教授。此时,他将研究重点转向物体运动方面,主要研究是什么使物体开始运动,又是什么使物体运动停止。经过一系列研究,牛顿的结论被总结为三大运动定律,所有这些定律都能在一次撞球游戏中体现,但玩的时候你也不必是一个物理学家!
大事记
1665年 牛顿推导出二项式定理(数学)
约1665年 牛顿推导出万有引力定律以及重心
1668年 牛顿反射式望远镜问世
1671年 牛顿分解白光光谱
1675年 牛顿提出光“粒子”理论
1687年 牛顿的《自然哲学的数学原理》出版
1704年 牛顿的《光学》出版
知识链接
牛顿的定律
牛顿推导出了物理学领域两个重要的方面——引力与运动的定理。牛顿万有引力定律指出存在质量的宇宙万物之间均存在着相互吸引的力,而引力的大小则由物体间距离与物体的质量所决定:距离越小,万有引力就越大;物体质量越大,其万有引力也越大。用数学术语表达就是:万有引力与物体间质量的乘积成正比,与物体间距离成反比。
牛顿运动第一定律,也称惯性定律,指出:物体具有保持原有运动状态的性质,即在不受任何外力状态下,物体总是保持匀速直线运动状态或静止状态。牛顿第二定律则指出:力能使物体运动产生变化,即力的大小等于物体质量乘以物体的加速度(F=Ma)。牛顿第三定律,又称作用力与反作用力定律,指出:两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一直线上。
万有引力与物体间的距离成反比:距离越小,引力越大
万有引力与物体间质量的乘积成正比:质量越大,引力越大
牛顿的另一个贡献是对天文学发展产生的深远影响。据说,牛顿坐在果园中休息时,看到树上的苹果掉落,由此产生疑问:为什么苹果会坠落?牛顿将其归结为地球上某种力的吸引作用,即我们现在所知的地心引力。同时,牛顿推论出,所有的物体均可看作其质量集中于某点的运动,这一质量的集中点即“质心”。运用他自己的关于运动的定律,他指出,宇宙万物之间均存在万有引力,也正是由于万有引力的存在,才使得天体得以维持现有的状态运动,例如:月球始终绕地球转动;地球始终绕着太阳转动。之后他提出的广义万有引力定律指出,无论是两个小球间还是两个恒星间的万有引力都与二者质量的乘积成正比,与二者之间的距离成反比。
该图摘自牛顿于1704年出版的《光学》一书,图中显示了棱镜是如何将白光分成其彩色光谱的。
1678年,英国科学家罗伯特· 胡克(1635~1703年)也提出引力定律,几年后发表了该理论。关于两者间究竟是谁最早提出引力定律还引起了激烈的争议。
在物理学分支—光学领域,牛顿主要研究光的性质。通过将来自太阳的窄束白光透过一个玻璃三棱镜,牛顿将白光分成了多色光谱,色彩排列与彩虹的一致。牛顿由此证实白光是由不同色彩的光组成的,今天我们说其是由不同波长组成的。由于当时的望远镜透镜质量不佳,使得所成的像被各色彩的一段光谱所围绕—不同色彩穿过透镜时在不同的位置进入焦点。牛顿使用镜面代替透镜解决了这一问题,他于1668年使用自己制作的镜面建造了最早的反射式望远镜之一。
牛顿一直坚信光是由一系列“粒子”组成的光流,于是提出光的“粒子”理论,但不久之后,克里斯蒂安·惠更斯(1629~1695年)等人提出光的“波”理论,同“粒子说”理论截然相反,由此引发了一场持续上百年的争论。直至20世纪,随着量子理论的逐渐发展完善,物理学家最终发现光兼有“粒子”与“波”的属性,即“波粒二象性”,该争论才画上了句号。
1703年,牛顿成为皇家学会主席,两年后被授予骑士勋章。随后艾萨克·牛顿被不断授予各种荣誉。去世后,也被授予象征最高荣誉的国葬,长眠于威斯敏斯特教堂。为了纪念牛顿对科学发展作出的贡献,在国际单位制中“力”的单位被定为“牛顿”,即:使得1千克的物体获得1 m/s2加速度的力为1牛顿。
据说,牛顿一次在果园里休息时,看到苹果落下,由此获得灵感,提出了万有引力定律。
1671年,艾萨克·牛顿首次使用三棱镜将白光分离为彩虹状的七色光谱。