❶ 誰能告訴我學物理以後可以干什,本人從小痴迷於各種小發明,之後對物理情有獨鍾,但是自從知道學物理出來
據我所知似乎沒幾抄個學物理的會去當老師。學物理的就業面非常廣,比如利用數理知識解決問題、證券行業分析員、各種各樣的工程師、教書方面、自創業,還很容易轉行,轉金融、統計、電子工程、計算機之類都很容易,對於不限專業的招聘而言,學物理的自帶「高智商、強邏輯、有主見」之類的光環,找那種「專業不限」的工作(比如公司管培生)時是有技能加成的。再給你一個網站可以更深入了解。
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❷ 艾薩克·牛頓發生過的讓人敬佩事
少年時代
1643年1月4日,艾薩克·牛頓出生於英格蘭林肯郡鄉下的一個小村落伍爾索普村的伍爾索普(Woolsthorpe)庄園。在牛頓出生之時,英格蘭並沒有採用教皇的最新歷法,因此他的生日被記載為1642年的聖誕節。牛頓出生前三個月,他同樣名為艾薩克的父親才剛去世。由於早產的緣故,新生的牛頓十分瘦小;據傳聞,他的母親漢娜·艾斯庫(Hannah Ayscough)曾說過,牛頓剛出生時小得可以把他裝進一誇脫的馬克杯中。當牛頓3歲時,他的母親改嫁並住進了新丈夫巴納巴斯·史密斯(Barnabus Smith)牧師的家,而把牛頓託付給了他的外祖母瑪傑里·艾斯庫(Margery Ayscough)。年幼的牛頓不喜歡他的繼父,並因母親改嫁的事而對母親持有一些敵意,牛頓甚至曾經「威脅我那姓史密斯的父母親。」
學生時代
牛頓大約從五歲開始,牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓並不是神童,他資質平常、成績一般,但他喜歡讀書,喜歡看一些介紹各種簡單機械模型製作方法的讀物,並從中受到啟發,自己動手製作些奇奇怪怪的小玩意,如風車、木鍾、折疊式提燈等等。
傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後,自己製造了一架磨坊的模型,他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上,然後在輪子的前面放上一粒玉米,剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不斷的跑動,於是輪子不停的轉動;又一次他放風箏時,在繩子上懸掛著小燈,夜間村人看去驚疑是彗星出現;他還製造了一個小水鍾。每天早晨,小水鍾會自動滴水到他的臉上,催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻,尤其喜歡刻日晷,家裡牆角、窗檯上到處安放著他刻畫的日晷,用以驗看日影的移動。
牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為一個農民,但牛頓本人卻無意於此,而酷愛讀書。隨著年歲的增大,牛頓越發愛好讀書,喜歡沉思,做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時,曾經寄宿在一位葯劑師家裡,使他受到了化學試驗的熏陶。
牛頓在中學時代學習成績並不出眾,只是愛好讀書,對自然現象有好奇心,例如顏色、日影四季的移動,尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記,又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。
當時英國社會滲透基督教新思想,牛頓家裡有兩位都以神父為職業的親戚,這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中,還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。
後來迫於生活,母親讓牛頓停學在家務農,贍養家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷,以至經常忘了幹活。每次,母親叫他同傭人一道上市場,熟悉做交易的生意經時,他便懇求傭人一個人上街,自己則躲在樹叢後看書。有一次,牛頓的舅父起了疑心,就跟蹤牛頓上市鎮去,發現他的外甥伸著腿,躺在草地上,正在聚精會神地鑽研一個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父,於是舅父勸服了母親讓牛頓復學,並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校,如飢似渴地汲取著書本上的營養。
據《大數學家》(Men of Mathematics,E·T·貝爾(E.T. Bell)著)和《數學史介紹》(An introction to the history of mathematics,H·伊夫斯(H. Eves)著)兩書記載:「牛頓在鄉村學校開始學校教育的生活,後來被送到了格蘭瑟姆的國王中學,並成為了該校最出色的學生。在國王中學時,他寄宿在當地的葯劑師威廉·克拉克(William Clarke)家中,並在19歲前往牛津大學求學前,與葯劑師的繼女安妮·斯托勒(Anne Storer)訂婚。之後因為牛頓專注於他的研究而使得愛情冷卻,斯托勒小姐嫁給了別人。據說牛頓對這次的戀情保有一段美好的回憶,但此後便再也沒有其他的羅曼史,牛頓也終生未娶。」
不過據和牛頓同時代的友人威廉·斯蒂克利(William Stukeley)所著的《艾薩克·牛頓爵士生平回憶錄》(Memoirs of Sir Isaac Newton's Life)一書的描述,斯蒂克利在牛頓死後曾訪問過文森特(Vincent)夫人,也就是當年牛頓的戀人斯托勒小姐。文森特夫人的名字叫作凱瑟琳,而不是安妮,安妮是她的妹妹(參見Arthur Storer),而且夫人僅表示牛頓當年寄宿時對她只不過是「懷有情愫」的程度而已。
牛頓從12 歲左右到17歲,牛頓都在國王中學學習,在該校圖書館的窗檯上還可以看見他當年的簽名。他曾從學校退學,並在1659年10月回到埃爾斯索普村,因為他再度守寡的母親想讓牛頓當一名農夫。牛頓雖然順從了母親的意思,但據牛頓的同儕後來的敘述,耕作工作讓牛頓相當不快樂。所幸國王中學的校長亨利·斯托克斯(Henry Stokes)說服了牛頓的母親,牛頓又被送回了學校以完成他的學業。他在18歲時完成了中學的學業,並得到了一份完美的畢業報告。
1661年6月,他進入了劍橋大學的三一學院。在那時,該學院的教學基於亞里士多德的學說,但牛頓更喜歡閱讀一些笛卡爾等現代哲學家以及伽利略、哥白尼和開普勒等天文學家更先進的思想。1665年,他發現了廣義二項式定理,並開始發展一套新的數學理論,也就是後來為世人所熟知的微積分學。在1665年,牛頓獲得了學位,而大學為了預防倫敦大瘟疫而關閉了。在此後兩年裡,牛頓在家中繼續研究微積分學、光學和萬有引力定律。
摘自網路
❸ 我的化學初期生活
自己提前學,自學,不懂找老師,你提前學的多了,自己就會有優越感,就記什麼問題都能看一眼就不忘,因為你很強啊,你提前學了,老師也會重視你。
❹ 關於大自然的..........
你可以利用生物來解決環境方面的問題,比如說利用植物過濾污水,防噪音之類的。環境這方面現在很重要。,希望可以幫到您
❺ 摘抄讀一個牛頓發明和發現的故事
1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索浦的一個自耕農家庭里,牛頓誕生了。牛頓是一個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學巨人,並且竟活到了85歲的高齡。牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時,母親改嫁給一個牧師,把牛頓留在外祖母身邊撫養。11歲時,母親的後夫去世,母親帶著和後夫所生的一子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沉默寡言,性格倔強,這種習性可能來自它的家庭處境。大約從五歲開始,牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓並不是神童,他資質平常,成績一般,但他喜歡讀書,喜歡看一些介紹各種簡單機械模型製作方法的讀物,並從中受到啟發,自己動手製作些奇奇怪怪的小玩意,如風車、木鍾、折疊式提燈等等。傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後,自己製造了一架磨坊的模型,他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上,然後在輪子的前面放上一粒玉米,剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不斷的跑動,於是輪子不停的轉動;又一次他放風箏時,在繩子上懸掛著小燈,夜間村人看去驚疑是彗星出現;他還製造了一個小水鍾。每天早晨,小水鍾會自動滴水到他的臉上,催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻,尤其喜歡刻日晷,家裡牆角、窗檯上到處安放著他刻畫的日晷,用以驗看日影的移動。牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為一個農民,但牛頓本人卻無意於此,而酷愛讀書。隨著年歲的增大,牛頓越發愛好讀書,喜歡沉思,做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時,曾經寄宿在一位葯劑師家裡,使他受到了化學試驗的熏陶。牛頓在中學時代學習成績並不出眾,只是愛好讀書,對自然現象由好奇心,例如顏色、日影四季的移動,尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記,又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。當時英國社會滲透基督教新思想,牛頓家裡有兩位都以神父為職業的親戚,這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中,還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。後來迫於生活,母親讓牛頓停學在家務農,贍養家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷,以至經常忘了幹活。每次,母親叫他同傭人一道上市場,熟悉做交易的生意經時,他便懇求傭人一個人上街,自己則躲在樹叢後看書。有一次,牛頓的舅父起了疑心,就跟蹤牛頓上市鎮去,發現他的外甥伸著腿,躺在草地上,正在聚精會神地鑽研一個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父,於是舅父勸服了母親讓牛頓復學,並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校,如飢似渴地汲取著書本上的營養。有一次,他去郊外遊玩,之後靠在一棵蘋果樹下休息,忽然,一個蘋果從樹上掉下來。他覺得很奇怪,為什麼蘋果會從上往下掉而不是從下往上掉?他帶著這個疑問回到了家裡研究,後來他發現原來地球是有引力的能把物體吸住。隨後,就出現了《牛頓物理引力學》。
❻ 科學家的發明創造
愛迪生 電燈
自從法拉第發明電機後,愛迪生就決心製造電燈,為人類帶來內光明。
愛迪容生在認真總結了前人製造電燈的失敗經驗後,制定發詳細的試驗計劃,分別在兩方面進行試驗:一是分類試驗1600多種不同耐熱的材料;二是改進抽空設備,使燈泡有高真空度。他還對新型發電機和電路分路系統等進行了研究。
愛迪生將1600多種耐熱發光材料逐一地試驗下來,唯獨白金絲性能量好,但白金價格貴得驚人,必須找到更合適的材料來代替。1879年,幾經實驗,愛迪生最後決定用炭絲來作燈絲。他把一截棉絲撒滿炭粉,彎成馬蹄形,裝到坩鍋中加熱,做成燈絲,放到燈泡中,再用抽氣機抽去燈泡內空氣,電燈亮了,竟能連續使用45個小時。就這樣,世界上第一批炭絲的白熾燈問世了。1879年除夕,愛迪生電燈公司所在地洛帕克街燈火通明。
為了研製電燈,愛迪生在實驗室里常常一天工作十幾個小時,有時連續幾天試驗,發明炭絲作燈絲後,他又接連試驗了6000多種植物纖維,最後又選用竹絲,通過高溫密閉爐燒焦,再加工,得到炭化竹絲,裝到燈泡里,再次提高了燈泡的真空度,電燈竟可連續點亮1200個小時
❼ 求現代最新化學 物理發明 要詳細介紹該物品 以及原理
什麼叫發明所謂發明,是指運用有關的科學理論知識或借鑒有關科學技術原理,首創前所未有的事物和方法,來有效地解決某一實際需要。有人從狹義和廣義兩方面去理解發明。狹義的理解指國家專利法所承認的發明,即對產品、方法或者其改進所提出的新的技術方案。這一類發明具有較高的實用價值,可以帶來較明顯的經濟效益,並可以獲得專利權。廣義的理解指所有新穎的、獨特的,具有一定社會意義和價值的技術成果,包括那些未獲專利的技術創造或革新成果,人們通常所說的技術「小發明」或技術改革,特別是青少年在科學活動中和日常生活學習中的「小發明」,一般均屬於廣義的理解。往往這類發明成果尚不夠成熟或不夠完備,它們有一些社會效益,而很難獲得較好的經濟效益。但這類發明發展下去也有可能成為獲得專利的發明,因為它同樣具備發明的新穎性、創造性和實用性。小發明孕育著大發明,小發明是大發明的搖籃,這兩者在本質上實際是相通的。什麼叫發現我們在學習數學、物理、化學、生物這些課程時,學過許多自然現象、自然規律以及自然物質的知識,如牛頓發現萬有引力、法拉第發現電磁感應現象、門捷列夫發現元素周期規律、弗萊明發現青黴素等都不能叫發明,因為它們都不具備「前所未有」的特點,萬有引力、電磁感應現象、元素周期規律和青黴素本來就客觀存在,只不過是牛頓、法拉第、門捷列夫和弗萊明是人類第一個觀察到或意識到它們而已。盡管發明和發現都屬於創造的范疇,但它們是兩種不同的創造活動。發明是指利用自然規律和技術手段創造前所未有的事物和方法,屬於改造世界性質;而發現是旨在揭示或查明客觀世界本來就存在的特徵現象和規律,屬於認識世界性質。發現是不創造新的物品或新的方法的。例如著名的三大發現——細胞學、進化論和能量守恆定律都是如此。再如,病理學之父莫加格尼、古生物學之父屬維葉、實驗心理學之父馮特、現代化學之父拉瓦錫、數學物理之父丹尼爾和太陽中心說的創始人哥白尼,他們對人類的貢獻都是發現而不是發明。又如雲南省昆明市中華小學揚正純同學撰寫的《螳螂川流域新發現的舊石器》一文,敘述的就是他的發現而不是發明,因為這些舊石器早就在螳螂川存在了幾百萬年,只不過是揚正純同學第一個發現了它們的存在。什麼叫創造所謂創造,是指提供新穎的、獨特的,具有社會意義的產物的活動。創即花樣翻新,造即從無到有。創造出來的東西必須從未見過,同時具有一定的社會意義和價值。因此科學上的發現,技術上的發明,文學藝術上的創作,都是創造性的活動。而頑童在紙上亂畫,精神病患者的胡言亂語,盡管內容可能是新穎的、獨特的,但毫無社會意義和價值,因而不能算作創造。是否存在這樣一種科技活動,它具有積極的杜會意義和教育意義,也具備獨特性,就是不具備新穎性呢?答案是肯定的——有,這就是科技製作活動。科技製作活動的特點主要是模仿與重復,如航模製作,電子製作,標本製作等,這類科技活動不具備創造性,所以既不是發現,也不是發明。發現與發明的聯系發明創造不同於科學發現,但它們存在密切的聯系。由於發明的事物或方法不但要前所未有,而且必須符合科學原理,而科學原理只有通過探索發現之後才得以為發明者所知曉並加以利用,所以發現是發明的重要源泉和理論依據。世界科技史告訴我們一個重大的新發現往往會導致一系列的新發明;而一項重大的發明往往會引起一次工業革命。如18世紀由於紡紗機和動力織布機的發明,對動力的要求非常迫切,於是人們根據已發現的熱力學規律產生了一系列蒸汽機的發明。談到蒸汽機,人們會立即想到瓦特,但最早發明蒸汽機的不是瓦特。別人發明的蒸汽機煤耗大、熱效率太低,沒有實現大工業生產的價值;而瓦特經過艱苦的努力,發明出帶有單獨冷凝器的蒸汽機,並相繼取得了四項旨在改良結構、提高效率的專利,使蒸汽機迅速在各個工業部門得到應用。這是人類繼發明學會用火以後,在馴服自然方面的又一個里程碑,它徹底改變了當時動力工業落後的面貌,引起了第一次工業革命。由於蒸汽機的廣泛應用,促使能源、冶金、交通運輸都發生了翻天覆地的變化。1807年世界上第一艘輪船誕生,龐大的船隊從此開始在各大洋游弋;1814年製成第一台機車,開辟了交通運輸新紀元,從此烏黑發亮的經濟大動脈——鐵路遍布大地;到了1835年,英國的煤產量達3000萬噸,鋼產量達102萬噸;到了1850年,英國的鐵路已鋪設10000多公里……使人類在不到一個世紀里創造的財富比以前幾千年的總
❽ 初中物理電學科技創新小發明怎麼做啊要電學的
1、 注重聯系實際
近幾年的高考物理試題中,出現了不少聯系實際的試題.這類試題選材靈內活,立意新穎,要求容考生對試題所展示的實際情景進行分析、判斷,弄清楚物理過程,抽象出物理模型,然後運用相應的物理知識解答.聯系實際的對象包括自然現象、生產生活、科學實驗、現代科學技術、以及與物理密切相關的社會問題.要注意聯系經濟與社會的熱點問題,使學生了解科學、技術、與社會發展的關系,能從更廣闊的角度去理解物理學,應用所學的物理知識解決發生在身邊的物理問題.物理學的知識在生活、生產中都有廣泛的應用,只要勤於觀察、勤於思考,能應用物理知識去解決這些問題.例如做功和功率,我們的一舉一動, 走路、跑步、騎自行車、上樓梯、做引體向上,都要做功,都可以估算這些活動的功和功率.從這樣一些簡單例子入手,關注生活、生產、科學技術發展中的問題,關注各種產業中的相關問題,都能使我們學到的物理知識學以致用,成為解決實際問題的利器,而不再是束之高閣的空洞理論.防盜門的貓眼,蹦床,電視機的磁偏轉都是密切聯系實際的試題2、
❾ 我們知道科學家有許多發明創造,我們身邊也有許很多小朋友有小發明。你認為他
張衡——地動儀 祖沖之——圓周率 僧一行——子午線 加利略——力學 牛頓——萬有引力 盧瑟福——原子模型 波爾——量子力學 哈勃——宇宙膨脹理論 哥白尼——日心說 達爾文——進化論 少年牛頓 牛頓:1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索浦的一個自耕農家庭里,牛頓誕生了。牛頓是一個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學巨人,並且竟活到了85歲的高齡。 牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時,母親改嫁給一個牧師,把牛頓留在外祖母身邊撫養。11歲時,母親的後夫去世,母親帶著和後夫所生的一子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沉默寡言,性格倔強,這種習性可能來自它的家庭處境。 大約從五歲開始,牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓並不是神童,他資質平常,成績一般,但他喜歡讀書,喜歡看一些介紹各種簡單機械模型製作方法的讀物,並從中受到啟發,自己動手製作些奇奇怪怪的小玩意,如風車、木鍾、折疊式提燈等等。 傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後,自己製造了一架磨坊的模型,他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上,然後在輪子的前面放上一粒玉米,剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不斷的跑動,於是輪子不停的轉動;又一次他放風箏時,在繩子上懸掛著小燈,夜間村人看去驚疑是彗星出現;他還製造了一個小水鍾。每天早晨,小水鍾會自動滴水到他的臉上,催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻,尤其喜歡刻日晷,家裡牆角、窗檯上到處安放著他刻畫的日晷,用以驗看日影的移動。 牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為一個農民,但牛頓本人卻無意於此,而酷愛讀書。隨著年歲的增大,牛頓越發愛好讀書,喜歡沉思,做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時,曾經寄宿在一位葯劑師家裡,使他受到了化學試驗的熏陶。 牛頓在中學時代學習成績並不出眾,只是愛好讀書,對自然現象由好奇心,例如顏色、日影四季的移動,尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記,又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。 當時英國社會滲透基督教新思想,牛頓家裡有兩位都以神父為職業的親戚,這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中,還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。 後來迫於生活,母親讓牛頓停學在家務農,贍養家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷,以至經常忘了幹活。每次,母親叫他同傭人一道上市場,熟悉做交易的生意經時,他便懇求傭人一個人上街,自己則躲在樹叢後看書。有一次,牛頓的舅父起了疑心,就跟蹤牛頓上市鎮去,發現他的外甥伸著腿,躺在草地上,正在聚精會神地鑽研一個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父,於是舅父勸服了母親讓牛頓復學,並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校,如飢似渴地汲取著書本上的營養。 求學歲月 1661年,19歲的牛頓以減費生的身份進入劍橋大學三一學院,靠為學院做雜務的收入支付學費,1664年成為獎學金獲得者,1665年獲學士學位。 17世紀中葉,劍橋大學的教育制度還滲透著濃厚的中世紀經院哲學的氣味,當牛頓進入劍橋時,哪裡還在傳授一些經院式課程,如邏輯、古文、語法、古代史、神學等等。兩年後三一學院出現了新氣象,盧卡斯創設了一個獨辟蹊徑的講座,規定講授自然科學知識,如地理、物理、天文和數學課程。 講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個博學的科學家。這位學者獨具慧眼,看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。於是將自己的數學知識,包括計算曲線圖形面積的方法,全部傳授給牛頓,並把牛頓引向了近代自然科學的研究領域。 在這段學習過程中,牛頓掌握了算術、三角,讀了開普勒的《光學》,笛卡爾的《幾何學》和《哲學原理》,伽利略的《兩大世界體系的對話》,胡克的《顯微圖集》,還有皇家學會的歷史和早期的哲學學報等。 牛頓在巴羅門下的這段時間,是他學習的關鍵時期。巴羅比牛頓大12歲,精於數學和光學,他對牛頓的才華極為贊賞,認為牛頓的數學才超過自己。後來,牛頓在回憶時說道:「巴羅博士當時講授關於運動學的課程,也許正是這些課程促使我去研究這方面的問題。」 當時,牛頓在數學上很大程度是依靠自學。他學習了歐幾里得的《幾何原本》、笛卡兒的《幾何學》、沃利斯的《無窮算術》、巴羅的《數學講義》及韋達等許多數學家的著作。其中,對牛頓具有決定性影響的要數笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算術》,它們將牛頓迅速引導到當時數學最前沿~解析幾何與微積分。1664年,牛頓被選為巴羅的助手,第二年,劍橋大學評議會通過了授予牛頓大學學士學位的決定。 1665~1666年嚴重的鼠疫席捲了倫敦,劍橋離倫敦不遠,為恐波及,學校因此而停課,牛頓於1665年6月離校返鄉。 由於牛頓在劍橋受到數學和自然科學的熏陶和培養,對探索自然現象產生濃厚的興趣,家鄉安靜的環境又使得他的思想展翅飛翔。1665~1666年這段短暫的時光成為牛頓科學生涯中的黃金歲月,他在自然科學領域內思潮奔騰,才華迸發,思考前人從未思考過的問題,踏進了前人沒有涉及的領域,創建了前所未有的驚人業績。 1665年初,牛頓創立級數近似法,以及把任意冪的二項式化為一個級數的規則;同年11月,創立正流數法(微分);次年1月,用三棱鏡研究顏色理論;5月,開始研究反流數法(積分)。這一年內,牛頓開始想到研究重力問題,並想把重力理論推廣到月球的運動軌道上去。他還從開普勒定律中推導出使行星保持在它們的軌道上的力必定與它們到旋轉中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說,說的也是此時發生的軼事。 總之,在家鄉居住的兩年中,牛頓以比此後任何時候更為旺盛的精力從事科學創造,並關心自然哲學問題。他的三大成就:微積分、萬有引力、光學分析的思想都是在這時孕育成形的。可以說此時的牛頓已經開始著手描繪他一生大多數科學創造的藍圖。 1667年復活節後不久,牛頓返回到劍橋大學,10月1日被選為三一學院的仲院侶(初級院委),翌年3月16日獲得碩士學位,同時成為正院侶(高級院委)。1669年10月27日,巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職,26歲的牛頓晉升為數學教授,並擔任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學生涯打通了道路,如果沒有牛頓的舅父和巴羅的幫助,牛頓這匹千里馬可能就不會馳騁在科學的大道上。巴羅讓賢,這在科學史上一直被傳為佳話。 偉大的成就~建立微積分 在牛頓的全部科學貢獻中,數學成就佔有突出的地位。他數學生涯中的第一項創造性成果就是發現了二項式定理。據牛頓本人回憶,他是在1664年和1665年間的冬天,在研讀沃利斯博士的《無窮算術》時,試圖修改他的求圓面積的級數時發現這一定理的。 笛卡爾的解析幾何把描述運動的函數關系和幾何曲線相對應。牛頓在老師巴羅的指導下,在鑽研笛卡爾的解析幾何的基礎上,找到了新的出路。可以把任意時刻的速度看是在微小的時間范圍里的速度的平均值,這就是一個微小的路程和時間間隔的比值,當這個微小的時間間隔縮小到無窮小的時候,就是這一點的准確值。這就是微分的概念。 求微分相當於求時間和路程關系得在某點的切線斜率。一個變速的運動物體在一定時間范圍里走過的路程,可以看作是在微小時間間隔里所走路程的和,這就是積分的概念。求積分相當於求時間和速度關系的曲線下面的面積。牛頓從這些基本概念出發,建立了微積分。 微積分的創立是牛頓最卓越的數學成就。牛頓為解決運動問題,才創立這種和物理概念直接聯系的數學理論的,牛頓稱之為"流數術"。它所處理的一些具體問題,如切線問題、求積問題、瞬時速度問題以及函數的極大和極小值問題等,在牛頓前已經得到人們的研究了。但牛頓超越了前人,他站在了更高的角度,對以往分散的努力加以綜合,將自古希臘以來求解無限小問題的各種技巧統一為兩類普通的演算法——微分和積分,並確立了這兩類運算的互逆關系,從而完成了微積分發明中最關鍵的一步,為近代科學發展提供了最有效的工具,開辟了數學上的一個新紀元。 牛頓沒有及時發表微積分的研究成果,他研究微積分可能比萊布尼茨早一些,但是萊布尼茨所採取的表達形式更加合理,而且關於微積分的著作出版時間也比牛頓早。 在牛頓和萊布尼茨之間,為爭論誰是這門學科的創立者的時候,竟然引起了一場悍然大波,這種爭吵在各自的學生、支持者和數學家中持續了相當長的一段時間,造成了歐洲大陸的數學家和英國數學家的長期對立。英國數學在一個時期里閉關鎖國,囿於民族偏見,過於拘泥在牛頓的「流數術」中停步不前,因而數學發展整整落後了一百年。 應該說,一門科學的創立決不是某一個人的業績,它必定是經過多少人的努力後,在積累了大量成果的基礎上,最後由某個人或幾個人總結完成的。微積分也是這樣,是牛頓和萊布尼茨在前人的基礎上各自獨立的建立起來的。 1707年,牛頓的代數講義經整理後出版,定名為《普遍算術》。他主要討論了代數基礎及其(通過解方程)在解決各類問題中的應用。書中陳述了代數基本概念與基本運算,用大量實例說明了如何將各類問題化為代數方程,同時對方程的根及其性質進行了深入探討,引出了方程論方面的豐碩成果,如,他得出了方程的根與其判別式之間的關系,指出可以利用方程系數確定方程根之冪的和數,即「牛頓冪和公式」。 牛頓對解析幾何與綜合幾何都有貢獻。他在1736年出版的《解析幾何》中引入了曲率中心,給出密切線圓(或稱曲線圓)概念,提出曲率公式及計算曲線的曲率方法。並將自己的許多研究成果總結成專論《三次曲線枚舉》,於1704年發表。此外,他的數學工作還涉及數值分析、概率論和初等數論等眾多領域。 偉大的成就~對光學的三大貢獻 在牛頓以前,墨子、培根、達·芬奇等人都研究過光學現象。反射定律是人們很早就認識的光學定律之一。近代科學興起的時候,伽利略靠望遠鏡發現了「新宇宙」,震驚了世界。荷蘭數學家斯涅爾首先發現了光的折射定律。笛卡爾提出了光的微粒說…… 牛頓以及跟他差不多同時代的胡克、惠更斯等人,也象伽利略、笛卡爾等前輩一樣,用極大的興趣和熱情對光學進行研究。1666年,牛頓在家休假期間,得到了三棱鏡,他用來進行了著名的色散試驗。一束太陽光通過三棱鏡後,分解成幾種顏色的光譜帶,牛頓再用一塊帶狹縫的擋板把其他顏色的光擋住,只讓一種顏色的光在通過第二個三棱鏡,結果出來的只是同樣顏色的光。這樣,他就發現了白光是由各種不同顏色的光組成的,這是第一大貢獻。 牛頓為了驗證這個發現,設法把幾種不同的單色光合成白光,並且計算出不同顏色光的折射率,精確地說明了色散現象。揭開了物質的顏色之謎,原來物質的色彩是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年,牛頓把自己的研究成果發表在《皇家學會哲學雜志》上,這是他第一次公開發表的論文。 許多人研究光學是為了改進折射望遠鏡。牛頓由於發現了白光的組成,認為折射望遠鏡透鏡的色散現象是無法消除的(後來有人用具有不同折射率的玻璃組成的透鏡消除了色散現象),就設計和製造了反射望遠鏡。 牛頓不但擅長數學計算,而且能夠自己動手製造各種試驗設備並且作精細實驗。為了製造望遠鏡,他自己設計了研磨拋光機,實驗各種研磨材料。公元1668年,他製成了第一架反射望遠鏡樣機,這是第二大貢獻。公元1671年,牛頓把經過改進得反射望遠鏡獻給了皇家學會,牛頓名聲大震,並被選為皇家學會會員。反射望遠鏡的發明奠定了現代大型光學天文望遠鏡的基礎。 同時,牛頓還進行了大量的觀察實驗和數學計算,比如研究惠更斯發現的冰川石的異常折射現象,胡克發現的肥皂泡的色彩現象,「牛頓環」的光學現象等等。 牛頓還提出了光的「微粒說」,認為光是由微粒形成的,並且走的是最快速的直線運動路徑。他的「微粒說」與後來惠更斯的「波動說」構成了關於光的兩大基本理論。此外,他還製作了牛頓色盤等多種光學儀器。 偉大的成就~構築力學大廈 牛頓是經典力學理論的集大成者。他系統的總結了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作,得到了著名的萬有引力定律和牛頓運動三定律。 在牛頓以前,天文學是最顯赫的學科。但是為什麼行星一定按照一定規律圍繞太陽運行?天文學家無法圓滿解釋這個問題。萬有引力的發現說明,天上星體運動和地面上物體運動都受到同樣的規律——力學規律的支配。 早在牛頓發現萬有引力定律以前,已經有許多科學家嚴肅認真的考慮過這個問題。比如開普勒就認識到,要維持行星沿橢圓軌道運動必定有一種力在起作用,他認為這種力類似磁力,就像磁石吸鐵一樣。1659年,惠更斯從研究擺的運動中發現,保持物體沿圓周軌道運動需要一種向心力。胡克等人認為是引力,並且試圖推到引力和距離的關系。 1664年,胡克發現彗星靠近太陽時軌道彎曲是因為太陽引力作用的結果;1673年,惠更斯推導出向心力定律;1679年,胡克和哈雷從向心力定律和開普勒第三定律,推導出維持行星運動的萬有引力和距離的平方成反比。 牛頓自己回憶,1666年前後,他在老家居住的時候已經考慮過萬有引力的問題。最有名的一個說法是:在假期里,牛頓常常在花園里小坐片刻。有一次,象以往屢次發生的那樣,一個蘋果從樹上掉了下來…… 一個蘋果的偶然落地,卻是人類思想史的一個轉折點,它使那個坐在花園里的人的頭腦開了竅,引起他的沉思:究竟是什麼原因使一切物體都受到差不多總是朝向地心的吸引呢?牛頓思索著。終於,他發現了對人類具有劃時代意義的萬有引力。 牛頓高明的地方就在於他解決了胡克等人沒有能夠解決的數學論證問題。1679年,胡克曾經寫信問牛頓,能不能根據向心力定律和引力同距離的平方成反比的定律,來證明行星沿橢圓軌道運動。牛頓沒有回答這個問題。1685年,哈雷登門拜訪牛頓時,牛頓已經發現了萬有引力定律:兩個物體之間有引力,引力和距離的平方成反比,和兩個物體質量的乘積成正比。 當時已經有了地球半徑、日地距離等精確的數據可以供計算使用。牛頓向哈雷證明地球的引力是使月亮圍繞地球運動的向心力,也證明了在太陽引力作用下,行星運動符合開普勒運動三定律。 在哈雷的敦促下,1686年底,牛頓寫成劃時代的偉大著作《自然哲學的數學原理》一書。皇家學會經費不足,出不了這本書,後來靠了哈雷的資助,這部科學史上最偉大的著作之一才能夠在1687年出版。 牛頓在這部書中,從力學的基本概念(質量、動量、慣性、力)和基本定律(運動三定律)出發,運用他所發明的微積分這一銳利的數學工具,不但從數學上論證了萬有引力定律,而且把經典力學確立為完整而嚴密的體系,把天體力學和地面上的物體力學統一起來,實現了物理學史上第一次大的綜合。 站在巨人的肩上 牛頓的研究領域非常廣泛,他除了在數學、光學、力學等方面做出卓越貢獻外,他還花費大量精力進行化學實驗。他常常六個星期一直留在實驗室里,不分晝夜的工作。他在化學上花費的時間並不少,卻幾乎沒有取得什麼顯著的成就。為什麼同樣一個偉大的牛頓,在不同的領域取得的成就竟那麼不一樣呢? 其中一個原因就是各個學科處在不同的發展階段。在力學和天文學方面,有伽利略、開普勒、胡克、惠更斯等人的努力,牛頓有可能用已經准備好的材料,建立起一座宏偉壯麗的力學大廈。正象他自己所說的那樣「如果說我看得遠,那是因為我站在巨人的肩上」。而在化學方面,因為正確的道路還沒有開辟出來,牛頓沒法走到可以砍伐材料的地方。 牛頓在臨終前對自己的生活道路是這樣總結的:「我不知道在別人看來,我是什麼樣的人;但在我自己看來,我不過就象是一個在海濱玩耍的小孩,為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜,而對於展現在我面前的浩瀚的真理的海洋,卻全然沒有發現。」 這當然是牛頓的謙遜。 怪異的牛頓 牛頓並不善於教學,他在講授新近發現的微積分時,學生都接受不了。但在解決疑難問題方面的能力,他卻遠遠超過了常人。還是學生時,牛頓就發現了一種計算無限量的方法。他用這個秘密的方法,算出了雙曲面積到二百五十位數。他曾經高價買下了一個棱鏡,並把它作為科學研究的工具,用它試驗了白光分解為的有顏色的光。 開始,他並不願意發表他的觀察所得,他的發現都只是一種個人的消遣,為的是使自己在寂靜的書齋中解悶,他獨自遨遊於自己所創造的超級世界裡。後來,在好友哈雷的竭力勸說下,才勉強同意出版他的手稿,才有劃時代巨著《自然哲學的數學原理》的問世。 作為大學教授,牛頓常常忙得不修邊幅,往往領帶不結,襪帶不系好,馬褲也不紐扣,就走進了大學餐廳。有一次,他在向一位姑娘求婚時思想又開了小差,他腦海了只剩下了無窮量的二項式定理。他抓住姑娘的手指,錯誤的把它當成通煙斗的通條,硬往煙斗里塞,痛得姑娘大叫,離他而去。牛頓也因此終生未娶。 牛頓從容不迫地觀察日常生活中的小事,結果作出了科學史上一個個重要的發現。他馬虎拖沓,曾經鬧過許多的笑話。一次,他邊讀書,邊煮雞蛋,等他揭開鍋想吃雞蛋時,卻發現鍋里是一隻懷表。還有一次,他請朋友吃飯,當飯菜准備好時,牛頓突然想到一個問題,便獨自進了內室,朋友等了他好久還是不見他出來,於是朋友就自己動手把那份雞全吃了,雞骨頭留在盤子,不告而別了。等牛頓想起,出來後,發現了盤子里的骨頭,以為自己已經吃過了,便轉身又進了內室,繼續研究他的問題。 牛頓晚年 但是由於受時代的限制,牛頓基本上是一個形而上學的機械唯物主義者。他認為運動只是機械力學的運動,是空間位置的變化;宇宙和太陽一樣是沒有發展變化的;靠了萬有引力的作用,恆星永遠在一個固定不變的位置上…… 隨著科學聲譽的提高,牛頓的政治地位也得到了提升。1689年,他被當選為國會中的大學代表。作為國會議員,牛頓逐漸開始疏遠給他帶來巨大成就的科學。他不時表示出對以他為代表的領域的厭惡。同時,他的大量的時間花費在了和同時代的著名科學家如胡克、萊布尼茲等進行科學優先權的爭論上。 晚年的牛頓在倫敦過著堂皇的生活,1705年他被安妮女王封為貴族。此時的牛頓非常富有,被普遍認為是生存著的最偉大的科學家。他擔任英國皇家學會會長,在他任職的二十四年時間里,他以鐵拳統治著學會。沒有他的同意,任何人都不能被選舉。 晚年的牛頓開始致力於對神學的研究,他否定哲學的指導作用,虔誠地相信上帝,埋頭於寫以神學為題材的著作。當他遇到難以解釋的天體運動時,竟提出了「神的第一推動力」的謬論。他說「上帝統治萬物,我們是他的僕人而敬畏他、崇拜他」。 1727年3月20日,偉大艾薩克·牛頓逝世。同其他很多傑出的英國人一樣,他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著: 讓人們歡呼這樣一位多麼偉大的 人類榮耀曾經在世界上存在。 參考資料:
❿ 牛頓的事跡
艾薩克·牛頓的生平
我不知道在別人看來,我是什麼樣的人;但在我自己看來,我不過就象是一個在海濱玩耍的小孩,為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜,而對於展現在我面前的浩瀚的真理的海洋,卻全然沒有發現。
——牛頓
牛頓的勤奮學習
一談到近代科學開創者牛頓,人們可能認為他小時候一定是個「神童」、「天才」、有著非凡的智力。其實不然,牛頓童年身體瘦弱,頭腦並不聰明。在家鄉讀書的時候,很不用功,在班裡的學習成績屬於次等。但他的興趣卻是廣泛的,游戲的本領也比一般兒童高。
牛頓愛好製作機械模型一類的玩藝兒,如風車、水車、日晷等等。他精心製作的一隻水鍾,計時較准確,得到了人們的贊許。有時,他玩的方法也很奇特。一天,他作了一盞燈籠掛在風箏尾巴上。當夜幕降臨時,點燃的燈籠借風箏上升的力升入空中。發光的燈籠在空中流動,人們大驚,以為是出現了彗星。盡管如此,因為他學習成績不好,還是經常受到歧視。
當時,封建社會的英國等級制度很嚴重,中小學里學習好的學生,可以歧視學習差的同學。有一次課間游戲,大家正玩得興高采烈的時候,一個學習好的學生借故踢了牛頓一腳,並罵他笨蛋。牛頓的心靈受到這種刺激,憤怒極了。他想,我倆都是學生,我為什麼受他的欺侮?我一定要超過他!從此,牛頓下定決心,發奮讀書。他早起晚睡,抓緊分秒、勤學勤思。 過刻苦鑽研,牛頓的學習成績不斷提高,不久就超過了曾欺侮過他的那個同學,名列班級前茅。
時間對人是一視同仁的,給人以同等的量,但人對時間的利用不同,而所得的知識也大不一樣。
牛頓十六歲時數學知識還很膚淺,對高深的數學知識甚至可以說是不懂。「知識在於積累,聰明來自學習」。牛頓下決心靠自己的努力攀上數學的高峰。在基礎差的不利條件下,牛頓能正確認識自己,知難而進。他從基礎知識、基本公式重新學起,扎扎實實、步步推進。他研究完了歐幾里德幾何學後,又研究笛卡兒幾何學,對比之下覺得歐幾里德幾何學膚淺,便悉心鑽研笛氏幾何學,直到掌握要領、融會貫通。遂之發明了代數二項式定理。傳說中牛頓「大暴風中算風力」的佳話,可為牛頓身體力學的佐證。有一天,天刮著大風暴。風撒野地呼號著,塵土飛揚,迷迷漫漫,使人難以睜眼。牛頓認為這是個准確地研究和計算風力的好機會。於是,便拿著用具,獨自在暴風中來回奔走。他踉踉蹌蹌、吃力地測量著。幾次沙塵迷了眼睛,幾次風吹走了算紙,幾次風使他不得不暫停工作,但都沒有動搖他求知的慾望。他一遍又一遍,終於求得了正確的數據。他快樂極了,急忙跑回家去,繼續進行研究。
有志者事竟成。經過勤奮學習,牛頓為自己的科學高塔打下了深厚的基礎。不久,牛頓的數學高塔就建成了,二十二歲時發明了微分學,二十三歲時發明了積分學,為人類科學事業作出了巨大貢獻。
牛頓是個十分謙虛的人,從不自高自大。曾經有人問牛頓:「你獲得成功的秘訣是什麼?」牛頓回答說:「假如我有一點微小成就的話,沒有其它秘訣,唯有勤奮而已。」
少年牛頓
1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索浦的一個自耕農家庭里,牛頓誕生了。牛頓是一個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學巨人,並且竟活到了85歲的高齡。
牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時,母親改嫁給一個牧師,把牛頓留在外祖母身邊撫養。11歲時,母親的後夫去世,母親帶著和後夫所生的一子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沉默寡言,性格倔強,這種習性可能來自它的家庭處境。
大約從五歲開始,牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓並不是神童,他資質平常,成績一般,但他喜歡讀書,喜歡看一些介紹各種簡單機械模型製作方法的讀物,並從中受到啟發,自己動手製作些奇奇怪怪的小玩意,如風車、木鍾、折疊式提燈等等。
傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後,自己製造了一架磨坊的模型,他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上,然後在輪子的前面放上一粒玉米,剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不斷的跑動,於是輪子不停的轉動;又一次他放風箏時,在繩子上懸掛著小燈,夜間村人看去驚疑是彗星出現;他還製造了一個小水鍾。每天早晨,小水鍾會自動滴水到他的臉上,催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻,尤其喜歡刻日晷,家裡牆角、窗檯上到處安放著他刻畫的日晷,用以驗看日影的移動。
牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為一個農民,但牛頓本人卻無意於此,而酷愛讀書。隨著年歲的增大,牛頓越發愛好讀書,喜歡沉思,做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時,曾經寄宿在一位葯劑師家裡,使他受到了化學試驗的熏陶。
牛頓在中學時代學習成績並不出眾,只是愛好讀書,對自然現象由好奇心,例如顏色、日影四季的移動,尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記,又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。
當時英國社會滲透基督教新思想,牛頓家裡有兩位都以神父為職業的親戚,這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中,還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。
後來迫於生活,母親讓牛頓停學在家務農,贍養家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷,以至經常忘了幹活。每次,母親叫他同傭人一道上市場,熟悉做交易的生意經時,他便懇求傭人一個人上街,自己則躲在樹叢後看書。有一次,牛頓的舅父起了疑心,就跟蹤牛頓上市鎮去,發現他的外甥伸著腿,躺在草地上,正在聚精會神地鑽研一個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父,於是舅父勸服了母親讓牛頓復學,並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校,如飢似渴地汲取著書本上的營養。
求學歲月
1661年,19歲的牛頓以減費生的身份進入劍橋大學三一學院,靠為學院做雜務的收入支付學費,1664年成為獎學金獲得者,1665年獲學士學位。
17世紀中葉,劍橋大學的教育制度還滲透著濃厚的中世紀經院哲學的氣味,當牛頓進入劍橋時,哪裡還在傳授一些經院式課程,如邏輯、古文、語法、古代史、神學等等。兩年後三一學院出現了新氣象,盧卡斯創設了一個獨辟蹊徑的講座,規定講授自然科學知識,如地理、物理、天文和數學課程。
講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個博學的科學家。這位學者獨具慧眼,看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。於是將自己的數學知識,包括計算曲線圖形面積的方法,全部傳授給牛頓,並把牛頓引向了近代自然科學的研究領域。
在這段學習過程中,牛頓掌握了算術、三角,讀了開普勒的《光學》,笛卡爾的《幾何學》和《哲學原理》,伽利略的《兩大世界體系的對話》,胡克的《顯微圖集》,還有皇家學會的歷史和早期的哲學學報等。
牛頓在巴羅門下的這段時間,是他學習的關鍵時期。巴羅比牛頓大12歲,精於數學和光學,他對牛頓的才華極為贊賞,認為牛頓的數學才超過自己。後來,牛頓在回憶時說道:「巴羅博士當時講授關於運動學的課程,也許正是這些課程促使我去研究這方面的問題。」
當時,牛頓在數學上很大程度是依靠自學。他學習了歐幾里得的《幾何原本》、笛卡兒的《幾何學》、沃利斯的《無窮算術》、巴羅的《數學講義》及韋達等許多數學家的著作。其中,對牛頓具有決定性影響的要數笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算術》,它們將牛頓迅速引導到當時數學最前沿~解析幾何與微積分。 1664年,牛頓被選為巴羅的助手,第二年,劍橋大學評議會通過了授予牛頓大學學士學位的決定。
1665~1666年嚴重的鼠疫席捲了倫敦,劍橋離倫敦不遠,為恐波及,學校因此而停課,牛頓於1665年6月離校返鄉。
由於牛頓在劍橋受到數學和自然科學的熏陶和培養,對探索自然現象產生濃厚的興趣,家鄉安靜的環境又使得他的思想展翅飛翔。1665~1666年這段短暫的時光成為牛頓科學生涯中的黃金歲月,他在自然科學領域內思潮奔騰,才華迸發,思考前人從未思考過的問題,踏進了前人沒有涉及的領域,創建了前所未有的驚人業績。
1665年初,牛頓創立級數近似法,以及把任意冪的二項式化為一個級數的規則;同年11月,創立正流數法(微分);次年1月,用三棱鏡研究顏色理論;5 月,開始研究反流數法(積分)。這一年內,牛頓開始想到研究重力問題,並想把重力理論推廣到月球的運動軌道上去。他還從開普勒定律中推導出使行星保持在它們的軌道上的力必定與它們到旋轉中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說,說的也是此時發生的軼事。
總之,在家鄉居住的兩年中,牛頓以比此後任何時候更為旺盛的精力從事科學創造,並關心自然哲學問題。他的三大成就:微積分、萬有引力、光學分析的思想都是在這時孕育成形的。可以說此時的牛頓已經開始著手描繪他一生大多數科學創造的藍圖。
1667年復活節後不久,牛頓返回到劍橋大學,10月1日被選為三一學院的仲院侶(初級院委),翌年3月16日獲得碩士學位,同時成為正院侶(高級院委)。1669年10月27日,巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職,26歲的牛頓晉升為數學教授,並擔任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學生涯打通了道路,如果沒有牛頓的舅父和巴羅的幫助,牛頓這匹千里馬可能就不會馳騁在科學的大道上。巴羅讓賢,這在科學史上一直被傳為佳話。
偉大的成就~建立微積分
在牛頓的全部科學貢獻中,數學成就佔有突出的地位。他數學生涯中的第一項創造性成果就是發現了二項式定理。據牛頓本人回憶,他是在1664年和1665年間的冬天,在研讀沃利斯博士的《無窮算術》時,試圖修改他的求圓面積的級數時發現這一定理的。
笛卡爾的解析幾何把描述運動的函數關系和幾何曲線相對應。牛頓在老師巴羅的指導下,在鑽研笛卡爾的解析幾何的基礎上,找到了新的出路。可以把任意時刻的速度看是在微小的時間范圍里的速度的平均值,這就是一個微小的路程和時間間隔的比值,當這個微小的時間間隔縮小到無窮小的時候,就是這一點的准確值。這就是微分的概念。
求微分相當於求時間和路程關系得在某點的切線斜率。一個變速的運動物體在一定時間范圍里走過的路程,可以看作是在微小時間間隔里所走路程的和,這就是積分的概念。求積分相當於求時間和速度關系的曲線下面的面積。牛頓從這些基本概念出發,建立了微積分。
微積分的創立是牛頓最卓越的數學成就。牛頓為解決運動問題,才創立這種和物理概念直接聯系的數學理論的,牛頓稱之為"流數術"。它所處理的一些具體問題,如切線問題、求積問題、瞬時速度問題以及函數的極大和極小值問題等,在牛頓前已經得到人們的研究了。但牛頓超越了前人,他站在了更高的角度,對以往分散的努力加以綜合,將自古希臘以來求解無限小問題的各種技巧統一為兩類普通的演算法——微分和積分,並確立了這兩類運算的互逆關系,從而完成了微積分發明中最關鍵的一步,為近代科學發展提供了最有效的工具,開辟了數學上的一個新紀元。
牛頓沒有及時發表微積分的研究成果,他研究微積分可能比萊布尼茨早一些,但是萊布尼茨所採取的表達形式更加合理,而且關於微積分的著作出版時間也比牛頓早。
在牛頓和萊布尼茨之間,為爭論誰是這門學科的創立者的時候,竟然引起了一場悍然大波,這種爭吵在各自的學生、支持者和數學家中持續了相當長的一段時間,造成了歐洲大陸的數學家和英國數學家的長期對立。英國數學在一個時期里閉關鎖國,囿於民族偏見,過於拘泥在牛頓的「流數術」中停步不前,因而數學發展整整落後了一百年。
應該說,一門科學的創立決不是某一個人的業績,它必定是經過多少人的努力後,在積累了大量成果的基礎上,最後由某個人或幾個人總結完成的。微積分也是這樣,是牛頓和萊布尼茨在前人的基礎上各自獨立的建立起來的。
1707年,牛頓的代數講義經整理後出版,定名為《普遍算術》。他主要討論了代數基礎及其(通過解方程)在解決各類問題中的應用。書中陳述了代數基本概念與基本運算,用大量實例說明了如何將各類問題化為代數方程,同時對方程的根及其性質進行了深入探討,引出了方程論方面的豐碩成果,如,他得出了方程的根與其判別式之間的關系,指出可以利用方程系數確定方程根之冪的和數,即「牛頓冪和公式」。
牛頓對解析幾何與綜合幾何都有貢獻。他在1736年出版的《解析幾何》中引入了曲率中心,給出密切線圓(或稱曲線圓)概念,提出曲率公式及計算曲線的曲率方法。並將自己的許多研究成果總結成專論《三次曲線枚舉》,於1704年發表。此外,他的數學工作還涉及數值分析、概率論和初等數論等眾多領域。
偉大的成就~對光學的三大貢獻
在牛頓以前,墨子、培根、達·芬奇等人都研究過光學現象。反射定律是人們很早就認識的光學定律之一。近代科學興起的時候,伽利略靠望遠鏡發現了「新宇宙」,震驚了世界。荷蘭數學家斯涅爾首先發現了光的折射定律。笛卡爾提出了光的微粒說……
牛頓以及跟他差不多同時代的胡克、惠更斯等人,也象伽利略、笛卡爾等前輩一樣,用極大的興趣和熱情對光學進行研究。1666年,牛頓在家休假期間,得到了三棱鏡,他用來進行了著名的色散試驗。一束太陽光通過三棱鏡後,分解成幾種顏色的光譜帶,牛頓再用一塊帶狹縫的擋板把其他顏色的光擋住,只讓一種顏色的光在通過第二個三棱鏡,結果出來的只是同樣顏色的光。這樣,他就發現了白光是由各種不同顏色的光組成的,這是第一大貢獻。
牛頓為了驗證這個發現,設法把幾種不同的單色光合成白光,並且計算出不同顏色光的折射率,精確地說明了色散現象。揭開了物質的顏色之謎,原來物質的色彩是不同顏色的光在物體上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年,牛頓把自己的研究成果發表在《皇家學會哲學雜志》上,這是他第一次公開發表的論文。
許多人研究光學是為了改進折射望遠鏡。牛頓由於發現了白光的組成,認為折射望遠鏡透鏡的色散現象是無法消除的(後來有人用具有不同折射率的玻璃組成的透鏡消除了色散現象),就設計和製造了反射望遠鏡。
牛頓不但擅長數學計算,而且能夠自己動手製造各種試驗設備並且作精細實驗。為了製造望遠鏡,他自己設計了研磨拋光機,實驗各種研磨材料。公元1668年,他製成了第一架反射望遠鏡樣機,這是第二大貢獻。公元1671年,牛頓把經過改進得反射望遠鏡獻給了皇家學會,牛頓名聲大震,並被選為皇家學會會員。反射望遠鏡的發明奠定了現代大型光學天文望遠鏡的基礎。
同時,牛頓還進行了大量的觀察實驗和數學計算,比如研究惠更斯發現的冰川石的異常折射現象,胡克發現的肥皂泡的色彩現象,「牛頓環」的光學現象等等。
牛頓還提出了光的「微粒說」,認為光是由微粒形成的,並且走的是最快速的直線運動路徑。他的「微粒說」與後來惠更斯的「波動說」構成了關於光的兩大基本理論。此外,他還製作了牛頓色盤等多種光學儀器。
偉大的成就~構築力學大廈
牛頓是經典力學理論的集大成者。他系統的總結了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作,得到了著名的萬有引力定律和牛頓運動三定律。
在牛頓以前,天文學是最顯赫的學科。但是為什麼行星一定按照一定規律圍繞太陽運行?天文學家無法圓滿解釋這個問題。萬有引力的發現說明,天上星體運動和地面上物體運動都受到同樣的規律——力學規律的支配。
早在牛頓發現萬有引力定律以前,已經有許多科學家嚴肅認真的考慮過這個問題。比如開普勒就認識到,要維持行星沿橢圓軌道運動必定有一種力在起作用,他認為這種力類似磁力,就像磁石吸鐵一樣。1659年,惠更斯從研究擺的運動中發現,保持物體沿圓周軌道運動需要一種向心力。胡克等人認為是引力,並且試圖推到引力和距離的關系。
1664年,胡克發現彗星靠近太陽時軌道彎曲是因為太陽引力作用的結果;1673年,惠更斯推導出向心力定律;1679年,胡克和哈雷從向心力定律和開普勒第三定律,推導出維持行星運動的萬有引力和距離的平方成反比。
牛頓自己回憶,1666年前後,他在老家居住的時候已經考慮過萬有引力的問題。最有名的一個說法是:在假期里,牛頓常常在花園里小坐片刻。有一次,象以往屢次發生的那樣,一個蘋果從樹上掉了下來……
一個蘋果的偶然落地,卻是人類思想史的一個轉折點,它使那個坐在花園里的人的頭腦開了竅,引起他的沉思:究竟是什麼原因使一切物體都受到差不多總是朝向地心的吸引呢?牛頓思索著。終於,他發現了對人類具有劃時代意義的萬有引力。
牛頓高明的地方就在於他解決了胡克等人沒有能夠解決的數學論證問題。1679年,胡克曾經寫信問牛頓,能不能根據向心力定律和引力同距離的平方成反比的定律,來證明行星沿橢圓軌道運動。牛頓沒有回答這個問題。1685年,哈雷登門拜訪牛頓時,牛頓已經發現了萬有引力定律:兩個物體之間有引力,引力和距離的平方成反比,和兩個物體質量的乘積成正比。
當時已經有了地球半徑、日地距離等精確的數據可以供計算使用。牛頓向哈雷證明地球的引力是使月亮圍繞地球運動的向心力,也證明了在太陽引力作用下,行星運動符合開普勒運動三定律。
在哈雷的敦促下,1686年底,牛頓寫成劃時代的偉大著作《自然哲學的數學原理》一書。皇家學會經費不足,出不了這本書,後來靠了哈雷的資助,這部科學史上最偉大的著作之一才能夠在1687年出版。
牛頓在這部書中,從力學的基本概念(質量、動量、慣性、力)和基本定律(運動三定律)出發,運用他所發明的微積分這一銳利的數學工具,不但從數學上論證了萬有引力定律,而且把經典力學確立為完整而嚴密的體系,把天體力學和地面上的物體力學統一起來,實現了物理學史上第一次大的綜合。
站在巨人的肩上
牛頓的研究領域非常廣泛,他除了在數學、光學、力學等方面做出卓越貢獻外,他還花費大量精力進行化學實驗。他常常六個星期一直留在實驗室里,不分晝夜的工作。他在化學上花費的時間並不少,卻幾乎沒有取得什麼顯著的成就。為什麼同樣一個偉大的牛頓,在不同的領域取得的成就竟那麼不一樣呢?
其中一個原因就是各個學科處在不同的發展階段。在力學和天文學方面,有伽利略、開普勒、胡克、惠更斯等人的努力,牛頓有可能用已經准備好的材料,建立起一座宏偉壯麗的力學大廈。正象他自己所說的那樣「如果說我看得遠,那是因為我站在巨人的肩上」。而在化學方面,因為正確的道路還沒有開辟出來,牛頓沒法走到可以砍伐材料的地方。
牛頓在臨終前對自己的生活道路是這樣總結的:「我不知道在別人看來,我是什麼樣的人;但在我自己看來,我不過就象是一個在海濱玩耍的小孩,為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜,而對於展現在我面前的浩瀚的真理的海洋,卻全然沒有發現。」
這當然是牛頓的謙遜。
怪異的牛頓
牛頓並不善於教學,他在講授新近發現的微積分時,學生都接受不了。但在解決疑難問題方面的能力,他卻遠遠超過了常人。還是學生時,牛頓就發現了一種計算無限量的方法。他用這個秘密的方法,算出了雙曲面積到二百五十位數。他曾經高價買下了一個棱鏡,並把它作為科學研究的工具,用它試驗了白光分解為的有顏色的光。
開始,他並不願意發表他的觀察所得,他的發現都只是一種個人的消遣,為的是使自己在寂靜的書齋中解悶,他獨自遨遊於自己所創造的超級世界裡。後來,在好友哈雷的竭力勸說下,才勉強同意出版他的手稿,才有劃時代巨著《自然哲學的數學原理》的問世。
作為大學教授,牛頓常常忙得不修邊幅,往往領帶不結,襪帶不系好,馬褲也不紐扣,就走進了大學餐廳。有一次,他在向一位姑娘求婚時思想又開了小差,他腦海了只剩下了無窮量的二項式定理。他抓住姑娘的手指,錯誤的把它當成通煙斗的通條,硬往煙斗里塞,痛得姑娘大叫,離他而去。牛頓也因此終生未娶。
牛頓從容不迫地觀察日常生活中的小事,結果作出了科學史上一個個重要的發現。他馬虎拖沓,曾經鬧過許多的笑話。一次,他邊讀書,邊煮雞蛋,等他揭開鍋想吃雞蛋時,卻發現鍋里是一隻懷表。還有一次,他請朋友吃飯,當飯菜准備好時,牛頓突然想到一個問題,便獨自進了內室,朋友等了他好久還是不見他出來,於是朋友就自己動手把那份雞全吃了,雞骨頭留在盤子,不告而別了。等牛頓想起,出來後,發現了盤子里的骨頭,以為自己已經吃過了,便轉身又進了內室,繼續研究他的問題。
牛頓晚年
但是由於受時代的限制,牛頓基本上是一個形而上學的機械唯物主義者。他認為運動只是機械力學的運動,是空間位置的變化;宇宙和太陽一樣是沒有發展變化的;靠了萬有引力的作用,恆星永遠在一個固定不變的位置上……
隨著科學聲譽的提高,牛頓的政治地位也得到了提升。1689年,他被當選為國會中的大學代表。作為國會議員,牛頓逐漸開始疏遠給他帶來巨大成就的科學。他不時表示出對以他為代表的領域的厭惡。同時,他的大量的時間花費在了和同時代的著名科學家如胡克、萊布尼茲等進行科學優先權的爭論上。
晚年的牛頓在倫敦過著堂皇的生活,1705年他被安妮女王封為貴族。此時的牛頓非常富有,被普遍認為是生存著的最偉大的科學家。他擔任英國皇家學會會長,在他任職的二十四年時間里,他以鐵拳統治著學會。沒有他的同意,任何人都不能被選舉。
晚年的牛頓開始致力於對神學的研究,他否定哲學的指導作用,虔誠地相信上帝,埋頭於寫以神學為題材的著作。當他遇到難以解釋的天體運動時,竟提出了「神的第一推動力」的謬論。他說「上帝統治萬物,我們是他的僕人而敬畏他、崇拜他」。
1727年3月20日,偉大艾薩克·牛頓逝世。同其他很多傑出的英國人一樣,他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著:
讓人們歡呼這樣一位多麼偉大的
人類榮耀曾經在世界上存在。
艾薩克·牛頓的信仰
a.「毫無疑問,我們所看到的這個世界,其中各種形式是如此絢麗多彩,各種運動是如此錯綜復雜,它不是別的,而只能出於指導和主宰萬物的上帝的自由意志。」——見《牛頓自然哲學著作選》第158頁
b.「現在我們可以更趨近一步去欣賞這大自然的美並使自己陶醉於愉快的深思之中,從而更深刻地激起我們對偉大的創世主和萬物主宰的敬愛和崇拜的心情,這才是哲學的最優美和最有價值的果實。如果有誰從事物的這些最明智最完善的設計中看不到全能創世主的無窮智慧和善良意志,那麼他一定是個瞎子,而如果拒絕承認這些,那他一定是一個毫無感情的瘋人。」——見《牛頓自然哲學著作選》第160頁
c.「……但是,作為一個虔誠的教徒,牛頓很早就在他的自然科學工作里刻上了神學的印記,牛頓的家庭宗教氣氛濃厚,他的繼父和舅父都是牧師,撫養他長大的外祖母和母親都是虔誠的教徒,他們送牛頓上劍橋大學的目的,是希望他將來作牧師。1678年,牛頓在劍橋畢業時,按照一般貫例,理應接受神職。但是,牛頓卻公開聲明,為了更好地「侍奉上帝」,他將不接受神職,而代之以自然哲學的研究來證明上帝的存在,從而贏得了英王查理二世的特許。因此,他在科學研究里,處處調和科學和神學,他說:『從事物的表象來論上帝,無疑是自然哲學份內的事。只有在科學工作里揭示和發現上帝對萬物的最聰明和最巧妙的安排,以及最終的原因,才對上帝有所認識』。」——摘自《牛頓自然哲學著作選》序第5-6頁
d.「在牛頓的後期,他在資本主義世界裡青雲直上以後,資產階級的動搖、妥協的一面完全支配了他,他在神學、唯心論道路上越走越遠了。他埋頭於煉金術的研究,寫下了大量的筆記和文章;他熱衷於年代學和神學,拚命考證聖經里的事跡和古希臘、埃及傳說的「科學」年代,妄圖證實但以理先知夢中看見的巨獸頭上十隻角是十個王國,一隻小角是羅馬教會,他還埋頭於約翰啟示錄的研究等等。在留給他的侄女婿的大量遺稿中,有關宗教、神學、年代學的著作竟達一百五十萬字。這些徒勞無益的工作占據了他的整個後半生,使他完全淪落為神學的奴僕。在牛頓的後半生里,主流是唯心論。牛頓的自然哲學只能在上帝那裡找到他的最後歸宿。」——摘自《牛頓自然哲學著作選》序第11-12頁