牛顿简介(英国物理学家牛顿简介)

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牛顿简介(英国物理学家牛顿简介)

简介

艾萨克牛顿爵士(1643年1月4日-1727年3月31)是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。1687年他发表《自然哲学的数学原理》,论述了万有引力和三大活动定律,奠定了此后三个世纪里力学和天文学的基本,成为了现代工程学的基本。他通过论证开普勒行星活动定律与他的引力理论间的一致性,展现了地面物体与天体的活动都遵守着雷同的自然定律;为太阳中心学说供给了强而有力的理论支撑,并推进了科学革命。

牛顿

在力学上,牛顿说明了动量和角动量守恒的原理。在光学上,他创造了反射望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的视察,发展出了色彩理论。他还体系地表述了冷却定律,并研讨了音速。

在数学上,牛顿与戈特弗里德莱布尼茨分享了发展出微积分学的声誉。他也证明了广义二项式定理,提出了“牛顿法”以趋近函数的零点,并为幂级数的研讨作出了贡献。

在2005年,英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查,在被调查的皇家学会院士和网民投票中,牛顿被以为比阿尔伯特爱因斯坦更具影响力。

早年生涯

牛顿出身的房子,位于英格兰林肯郡埃尔斯索普

牛顿曾就读的国王中学

国王中学窗台牛顿的签名

1643年1月4日,艾萨克牛顿出身于英国英格兰东密德兰林肯郡南凯斯蒂文埃尔斯索普的埃尔斯索普庄园。牛顿出身前三个月,他同样名为艾萨克的父亲刚逝世。由于早产的缘故,新生的牛顿十分瘦小;据风闻,他的母亲汉娜艾斯库曾说过,牛顿刚出身时小得可以把他装进一夸脱的马克杯中。当牛百思特网顿3岁时,他的母亲改嫁并住进了新丈夫巴纳巴斯史密斯牧师位于北威特姆的家,而把牛顿托付给了他的外祖母玛杰里艾斯库。年幼的牛顿不爱好他的继父,并因母亲嫁给他的事而对母亲持有一些敌意,牛顿甚至曾经写下:“威逼我的继父与生母,要把他们连同房子一齐烧掉。”

据《大数学家》和《数学史介绍》两书记录:“牛顿在乡村学校开端学校教导的生涯,后来被送到了格兰瑟姆的国王中学,并成为了该校最精彩的学生。在国王中学时,他寄宿在当地的药剂师威廉克拉克家中,并在19岁前往剑桥大学求学前,与药剂师的继女安妮斯托勒订婚。之后因为牛顿专注于他的研讨而使得爱情冷却,斯托勒小姐嫁给了别人。据说牛顿对这次的恋情保有一段美妙的回想,但此后便再也没有其他的罗曼史,牛顿也毕生未娶。”

不过据和牛顿同时期的友人威廉斯蒂克利所著的《艾萨克牛顿爵士生平回想录》一书的描写,斯蒂克利在牛顿逝世后曾拜访过文森特夫人,也就是当年牛顿的恋人斯托勒小姐。文森特夫人的名字叫做凯瑟琳,而不是安妮,安妮是她的妹妹,而且夫人仅表现牛顿当年寄宿时对她只不过是“怀有情愫”的水平而已。

从12岁左右到17岁,牛顿都在国王中学学习,在该校图书馆的窗台上还可以看见他当年的签名。他曾从学校退学,并在1659年10月回到埃尔斯索普,因为他再度守寡的母亲想让牛顿当一名农夫。牛顿虽然服从了母亲的意思,但据牛顿的同侪后来的叙述,耕作工作让牛顿相当不快活。所幸国王中学的校长亨利斯托克斯说服了牛顿的母亲,牛顿又被送回了学校以完成他的学业。他在18岁时完成了中学的学业,并得到了一份完善的毕业报告。牛顿的学业成就如此优良,部分原因是为了挑衅和报复一个学校恶霸。剑桥心理学家西蒙拜昂-柯恩以为,牛顿很可能患有亚斯伯格症候群。

1661年6月,他进入了剑桥大学的三一学院。在那时,该学院的教学基于亚里士多德的学说,但牛顿更爱好浏览一些勒奈笛卡儿等现代哲学家以及伽利略伽利莱、尼古拉哥白尼和约翰内斯开普勒等天文学家更先进的思想。1665年,他发明了广义二项式定理,并开端发展一套新的数学理论,也就是后来为世人所熟知的微积分学。在1665年,牛顿获得了学位,而大学为了预防伦敦大瘟疫而关闭了。在此后两年里,牛顿在家中持续研讨微积分学、光学和万有引力定律。

1667年,牛顿获得奖学金,作为研讨生重返剑桥大学三一学院。依照规定,只有被正式任命的牧师才有资历成为剑桥大学三一学院的研讨生,由于持有非正统的宗教观点,牛顿不愿意成为牧师。但牧师职位的任命没有最后期限,因此牛顿先获得了研讨生的名额,而牧师职位的任命被无穷期地延后了。但是等后来牛顿被任命为卢卡斯数学教授席位时问题就来了,如此主要的职位不可能躲避牧师职位任命这一条件。然而,牛顿获得了查理二世的允许,还是绕开了这一限制。

中年生涯

数学

多数现代历史学家都信任,牛顿与莱布尼茨分离独立创造了微积分学。依据牛顿周围的人所述,牛顿要比莱布尼茨早几年得出他的办法,但在1693年以前他几乎没有发表任何内容,并直至1704年他才给出了其完全的叙述。其间,莱布尼茨已在1684年发表了他的办法的完全叙述。两人发明了不同的微积分符号,欧洲大陆全面采取莱布尼茨符号,而英国保持应用牛顿的微积分符号,直到1820年才全面采用莱布尼兹的符号。莱布尼茨的笔记本记载了他的思想从初期到成熟的发展进程,而在牛顿已知的记载中只发明了他最终的成果。

牛顿与瑞士数学家尼古拉法蒂奥丢勒的接洽十分亲密,后者一开端便被牛顿的引力定律所吸引。1691年,丢勒盘算编写一个新版本的牛顿《自然哲学的数学原理》,但从未完成它。在1694年这两个人之间的关系冷却了下来。在那个时候,丢勒还与莱布尼茨交流了几封信件。

1699年初,皇家学会(牛顿也是其中的一员)的成员们指控莱布尼茨抄袭了牛顿的微积分结果,这导致了剧烈的牛顿与莱布尼茨的微积分学论战。最终英国皇家学会宣告牛顿是微积分真正的创造者,叱责莱布尼茨抄袭。但后来人们发明该调查评论莱布尼茨的结语是牛顿本人书写。这场连续多年的剧烈纠纷,沾污了牛顿与莱布尼茨荣誉,直到莱布尼茨在1716年往生后才暂时停滞。

牛顿的一项被普遍认可的造诣是广义二项式定理,它实用于任何幂。他发明了牛顿恒等式、牛顿法,分类了立方面曲线(两变量的三次多项式),为有限差理论作出了重大贡献,并首次应用了分式指数和坐标几何学得到丢番图方程的解。他用对数趋近了折衷级数的部分和(这是欧拉求和公式的一个先驱),并首次有把握地应用幂级数和反转幂级数。他还发明了的一个新公式。

他在1669年被授予卢卡斯数学教授席位。在那一天以前,剑桥或牛津的所有成员都是经过任命的圣公会牧师。不过,卢卡斯教授之职的条件请求其持有者不得活泼于教堂(大概是如此可让持有者把更多时光用于科学研讨上)。牛顿以为应免除他担负神职工作的条件,这须要查理二世的允许,后者接收了牛顿的看法。这样避免了牛顿的宗教观点与圣公会信仰之间的冲突。

光学

从1670年到1672年,牛顿负责讲解光学。在此期间,他研讨了光的折射,表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱,而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。

牛顿1672年应用的6英寸反射望远镜复制品,为皇家学会所拥有

他还通过火离出单色的光束,并将其照耀到不同的物体上的试验,发明了色光不会转变自身的性质。牛顿还注意到,无论是反射、散射或发射,色光都会坚持同样的色彩。因此,我们视察到的色彩是物体与特定有色光相合的成果,不是物体发生色彩的成果。

牛顿发明棱镜可以将白光发散为彩色光谱

由此,他得出如下结论:任何折射望远镜都会受到光色散成不同色彩的影响,并因此创造了反射望远镜(现称作牛顿望远镜)来战胜这个艰苦。他自己打磨大直径的镜片,应用牛顿环来检验镜片的光学品德,从而制作出了优于折射望远镜的仪器。1671年,他向皇家学会展现了自己的反射望远镜,随后出版了自己的光学笔记,后来扩编为《光学》一书。罗伯特胡克批驳了牛顿的某些观点,牛顿对此很不满,并退出了争辩会。两人自此以后成为了敌人,这一直连续到胡克逝世。

牛顿以为光是由粒子或微粒组成的,并会因加速通过光密介质而折射,他以为薄膜的折射和透射现象可以用光的“波动理论”来说明,但自己的“微粒理论”能力更好地说明光学现象,如衍射。1704年,牛顿著成《光学》,其中他详述了光的粒子理论。他以为光是由非常渺小的微粒组成的,而普通物资是由较粗微粒组成,并推测如果通过某种炼金术的转化“难道物资和光不能互相改变吗?物资不可能由进入其构造中的光粒子得到重要的动力吗?后世的物理学家多持波动理论观点。后来的量子力学则以为光有波动和微粒二重性,称为波粒二象性,虽然该理论中的“微粒”光子与牛顿理论中的“微粒”差异很大。

1675年出版的《说明光属性的假说》中,牛顿以为粒子间力的传递是透过以太进行的。不过牛顿在与神智学家亨利莫尔接触后重新燃起了对炼金术的兴致,并改用源于赫密斯神智学中粒子相吸互斥思想的神秘力气来说明,调换了先前假设以太存在的意见。拥有许多牛顿炼金术著作的经济学巨匠约翰梅纳德凯恩斯曾说:“牛顿不是理性时期的第一人,他是最后的一位炼金术士。”[10] 但牛顿对炼金术的兴致却与他对科学的贡献息息相干[11],而且在那个时期炼金术与科学也还没有明白的差别。如果他没有依附神秘学思想来说明穿过真空的超距作用,他可能也不会发展出他的重力理论。

牛顿应用玻璃球制作了原始情势的摩擦静电发电机。

力学

1679年,牛顿重新回到力学的研讨中:引力及其对行星轨道的作用、开普勒的行星活动定律、与胡克和佛兰斯蒂德在力学上的讨论。他将自己的结果归结在《物体在轨道中之活动》一书中,该书中包括有初步的、后来在《自然哲学的数学原理》中形成的活动定律。

《自然哲学的数学原理》(现常简称作《原理》)在埃德蒙哈雷的勉励和支撑下于1687年7月5日出版。该书中牛顿论述了其后两百年间都被视作真谛的三大活动定律。牛顿应用拉丁单词“gravitas”(繁重)来为现今的引力命名,并定义了万有引力定律。在这本书中,百思特网他还基于波义耳定律提出了首个剖析测定空气中音速的办法。

《原理》的出版使牛顿成为当时最有影响力的科学家。牛顿与其中的瑞士数学家尼古拉法蒂奥丢勒树立了非常密切的关系,直到1693年他们的友情决裂。

晚年生涯

牛顿在1690年代写了很多处置圣经的文字说明的宗教小册子。亨利摩尔的宇宙信仰和谢绝笛卡儿二元论影响了牛顿的宗教观念。在他发给约翰洛克的一个从未发表的手稿中,他质疑了三位一体的存在性。

1696年,牛顿通过了当时的财政大臣查尔斯孟塔古的提携迁到了伦敦作皇家铸币厂的监管,一直到逝世。他主持了英国最大的货币重铸工作,此职位一般都是闲职,但牛顿对该职位非常认真。他估量大约有20%的硬币是捏造的。捏造货币在英国事大逆罪,会被处以极刑。为那些恶名昭著的罪犯定罪是非常艰苦的;不过事实证明牛顿做得很好。

他掩盖自己的身份而搜集了许多证据,然后颁布于酒吧和客栈里。英国法律保存了古老且麻烦的习惯,为的是让起诉有必定的门槛,并将政府部门从司法中分别开来。牛顿为此当上了太平绅士,并在1698年6月到1699年圣诞节间引诱了对200名证人、告密者和嫌疑犯的交叉询问。而最后牛顿得以胜诉,并在1699年2月履行了10名罪犯的逝世刑。

也许牛顿最巨大的成功是以国王法律代理人的身份与威廉查洛纳对质。查洛纳密谋策动一起假的天主教诡计运动,然后揭发那些不幸被他欺骗来的共谋者。在向国会请愿时,查洛纳控诉铸币厂有偿地将工具供给给造伪币者,并要求国会许可他检讨铸币厂的生产进程以证明他的控诉。他还要求国会采用他所谓的“无法捏造的造币进程”及“打击假币的筹划”。此时,牛顿被激怒了,并开端着手调查,以查出查洛纳做过事情。在调查中,牛顿发明查洛纳参与了伪币制作。他立刻起诉了查洛纳,可是因为查洛纳在高层有一些朋友,所以他被无罪释放了,这让牛顿觉得不满。在第二次起诉中,牛顿供给了确实的证据,并胜利地使查洛纳被判处大逆罪。1699年3月23日,查洛纳在泰伯恩行刑场被车裂。

1701年,牛顿辞去卢卡斯数学教授后。在改造对低成色货币和伪币的流通和处分上锤炼了他的才能。牛顿在1717年通过安妮女王法案创建了在金币和银币之间的接洽,非正式的把英镑钱币从银本位转移到了金本位;这在当时是重大的改造,相当水平的增长英格兰的财富和稳固。1705年,安妮女王授予牛顿爵士身份,牛顿是第二个被授勋的英国科学家,第一个是弗兰西斯培根。

去世

威斯敏斯特教堂内的牛顿之墓

牛顿于1727年3月31日在伦敦去世,于西敏寺举办国葬,成为史上第一个获得国葬的自然科学家。

1970年代,对牛顿头发的化学剖析显示其中水银含量比正常值超越50多倍,最可能的说明是他从事炼金术所致。汞中毒可能说明牛顿晚年的一些怪异行动。

牛顿之墓位于西敏寺中殿,墓地上方矗立着一尊牛顿的雕像,其石像倚坐在一堆书籍上百思特网。身边有两位天使,还有一个伟大的地球造型以纪念他在科学上的功劳。

英格兰诗人亚历山大蒲柏为牛顿写下了以下这段墓志铭:

自然和自然的法则隐蔽在黑暗之中。上帝说:让牛顿降生吧,于是一切豁然爽朗。

自然哲学与宗教观点

牛顿反对将宇宙说明为一部纯洁的机器,譬如一座大钟。他说:“引力说明了行星的活动,但却不能说明谁让行星活动起来的。上帝统治万物,知晓所有做过和能做的事。”

牛顿在《圣经》与早期教会父老上的研讨也值得注意。牛顿写作了一些圣经批评的作品,最有名的就是《两处有名圣经讹误的历史变迁》。牛顿还摆放了一座与传说日期公元33年4月3日相符的耶稣基督受难像。他亦尝试,但未胜利地,去寻找《圣经》中隐蔽的资讯。

牛顿可能谢绝了教会的三位一体教义。在少数的观点里,TC普菲岑迈尔(T.C. Pfizenmaier)以为他更像是持有东方东正教三位一体观,而不是西方天主教、圣公宗和大部分新教教派的观点。在他的时期里,牛顿(与不少活泼于皇家学会和查理二世宫廷的人士一样)被指是玫瑰十字会的会员。

在他的一生中,牛顿写作了比自然科学更多的宗教学著述。他信任一个理性的主观世界(immanent world),但他却谢绝莱布尼茨和巴鲁赫斯宾诺莎深信的万物有生论。因此,有序且动态的(ordered and dynamically informed)宇宙可以被懂得,而且必需以自动的理性(active reason)去懂得,但是这个完善且注定中的宇宙,必需有规律地运行。牛顿保持以为,由于不稳固性的累积和迟缓增加,必需有神的不断干涉来改进宇宙这个体系。为此,莱布尼茨讥讽牛顿说:“神必需时不时地给他造的钟上发条,否则这个钟就会停摆。看起来,他没有才能让这个钟永远运行。”

德国哲学家黑格尔批驳牛顿的光学是“粗野的反思方法”,但黑格尔果断的自然哲学观点也使黑格尔的哲学系统在科学界声誉扫地。

牛顿在宗教思想上的影响

牛顿与罗伯特波义耳的机械论学说被理性主义作者晋升成了泛神论和狂热论的一个可行替代选项,并为东正教传教士与宗教自由主义(Latitud(原创版权www.isoyu.com)inarian)一类的异见传教士有保存地接收了[21]。这样,科学的清楚简练,使得无论是在迷信者还是无神论者中,均无人可以企及,亦无人可以驳斥之[22]。而与之同时,英国自然神论者的第二波浪潮应用了牛顿的发明来论证“自然宗教”的可能性。

威廉布莱克的名画《牛顿》。在这幅画中,牛顿被贬低为一位“神学几何学者”

波义耳的机械论宇宙观给出了不利于启蒙时期前的“魔法思想”和基督教神秘元素存在基本的鞭挞。牛顿通过数学证明的方法完美了波义耳的思想,并且,也许更主要的一点是,它们的普及也是非常胜利的。[23] 打比喻说,如果本来的世界是干预主义的上帝所统治之世界的话,那么牛顿就将它变成了用理性及广泛原理进行设计的上帝所发明之世界。[24] 这些原理让每个人都能去获取知识,让每个人都能在此生此世积极地寻求自身目的,并让每个人都能用自身的理性力气来完美自我。

牛顿视上帝为造物者,因此以为在面对着所有生物之雄伟时,祂的存在便是不容否定的。但他的上帝观发生了无法预感的神学成果,如同莱布尼茨指出的那样,上帝现在已经完整地从世界事务中隐退了:对干预的须要只会证明上帝作品中的一些瑕疵,而这对一个完善且全能的造物主来说是不可能的事。莱布尼茨的神正论将上帝与参与祂的发明物的行动中分别开,从而清除了上帝在“罪行问题”中承担的义务。于是,对世界的懂得便下降到了个体原因的程度,而人类,如同奥多马夸德所认识的那样,应为修改和消灭罪行承担义务。

从另一方面说,宗教自由主义和牛顿学说的思想对千禧年主义的发生具有深远的影响。千禧年主义是一个信任机械论宇宙观的宗教派别,但其在实际上与狂热论和神秘论如出一辙。启蒙活动为了消灭它而与之进行了艰难的奋斗。

牛顿活动定律

有名的三大活动定律:

1.牛顿第必定律(亦称惯性定律)指出,一个静止状况的物体趋向于坚持静止状况,而在匀速活动中的物体趋向于坚持匀速状况,除非受到合外力的作用。它论述了力和惯性这两个物理概念,说明了力和活动状况的关系,并提出了一切物体都具有坚持其活动状况不变的特征——惯性,是物理学中一条主要的根本定律。

2.牛顿第二定律指出,作用于一个物体上的作用力等于其动量随时光的变更率。这解释了一个物体的加速度与作用在物体上的合力成正比,与其质量成反比。在米-千克-秒的度量衡体系下,质量的单位为千克,加速度为米每二次方秒,力为牛顿(为纪念他而命名)。

3.牛顿第三定律指出,每个作用力都有一个等值反向的反作用力。

两个物体之间的作用力F和反作用力F,沿同一直线,大小相等,方向相反,分离作用在两个物体上。

名言

法国数学家约瑟夫拉格朗日常常说牛顿是迄今为止最巨大的天才,他还曾经评价牛顿是“最荣幸的,因为我们已经无法再创建一个世界系统了。”

有观点以为牛顿本人对他自己的造诣非常谦虚,1676年,在他写给罗伯特胡克的一封信中涌现了一句名言:

如果我比别人看得更远,那是因为我站在伟人的肩上。

牛顿在一篇回想录中写道:但有两位作家John Gribbin和Michael White以为,这其实是牛顿对胡克(身体矮小并驼背)的讥讽,而不含有——或除此外不含有——谦虚的意味: