以太坊對數坐標
⑴ 牛頓發明家的故事200字
1666年,23歲的牛頓還是劍橋大學聖三一學院三年級的學生。
牛頓一直被這樣的問題困惑:是什麼力量驅使月球圍繞地球轉,地球圍繞太陽轉?為什麼月球不會掉落到地球上?為什麼地球不會掉落到太陽上?
坐在姐姐的果園里,牛頓聽到熟悉的聲音,「咚」的一聲,一隻蘋果落到草地上。他急忙轉頭觀察第二隻蘋果落地。第二隻蘋果從外伸的樹枝上落下,在地上反彈了一下,靜靜地躺在草地上。這只蘋果肯定不是牛頓見到的第一隻落地的蘋果,當然第二隻和第一隻沒有什麼差別。蘋果會落地,而月球卻不會掉落到地球上,蘋果和月亮之間存在什麼不同呢?
第二天早晨,天氣晴朗,牛頓看見小外甥正在玩小球。他手上拴著一條皮筋,皮筋的另一端系著小球。他先慢慢地搖擺小球,然後越來越快,最後小球就徑直拋出。
牛頓猛地意識到月球和小球的運動極為相像。兩種力量作用於小球,這兩種力量是向外的推動力和皮筋的拉力。同樣,也有兩種力量作用於月球,即月球運行的推動力和重力的拉力。正是在重力作用下,蘋果才會落地。
牛頓首次認為,蘋果落地、雨滴降落和行星沿著軌道圍繞太陽運行都是重力作用的結果。
人們普遍認為,適用於地球的自然定律與太空中的定律大相徑庭。牛頓的萬有引力定律沉重打擊了這一觀點,它告訴人們,支配自然和宇宙的法則是很簡單的。
牛頓推動了引力定律的發展,指出萬有引力不僅僅是星體的特徵,也是所有物體的特徵。作為所有最重要的科學定律之一,萬有引力定律及其數學公式已成為整個物理學的基石。
⑵ 牛頓的生平,主要成就人物評價
人物生平
1648年,牛頓被送去讀書。少年時的牛頓並不是神童,他成績一般,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,就不斷地跑動,於是輪子不停地轉動;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。
學生時代
1654年,牛頓進了離家有十幾公里九龍的金格斯皇家中學讀書。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。他在金格斯皇家中學讀書時,曾經寄宿在一位葯劑師家裡,使他受到了化學試驗的熏陶。
後來迫於生活困難,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,發現他的外甥牛頓伸著腿,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。
從12 歲左右到17歲,牛頓都在金格斯皇家中學學習,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。所幸金格斯皇家中學的校長亨利·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3日,他進入了劍橋大學的三一學院。[5]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。
政治生涯
1669年,被授予盧卡斯數學教授席位。
1689年,他當選為國會議員。牛頓在1689年到1690年和1701年是皇家科學院的成員,在1703年成為皇家學會會長,並任職24年之久,在歷任會長中僅次於約瑟夫·班克斯,同時也是法國科學院的會員。
1696年,牛頓通過了當時的財政大臣查爾斯·孟塔古的提攜遷到了倫敦作皇家鑄幣廠的監管,一直到去世。他主持了英國最大的貨幣重鑄工作,此職位一般都是閑職,但牛頓卻非常認真的對待。身為皇家鑄幣廠的主管官員,牛頓估計大約有20%的硬幣是偽造的。為那些惡名昭著的罪犯定罪是非常困難的;不過事實證明牛頓做得很好。牛頓為此當上了太平紳士。
1705年,牛頓被安妮女王封為爵士。
牛頓在1670年代寫了很多處理聖經的文字解釋的宗教小冊子。亨利·摩爾的宇宙信仰和拒絕笛卡兒二元論影響了牛頓的宗教觀念。在他發給約翰·洛克的一個從未發表的手稿中,他爭議了三位一體的存在性。
與世長辭
1727年3月31日(格蘭歷),偉大的艾薩克·牛頓逝世,與很多傑出的英國人一樣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
當西元1727年牛頓以85歲的高齡過世時,英國人將他葬於西敏寺。西敏寺的前身是一個修道院,1579年,英國女王伊麗莎白一世將西敏寺改為學院,校長由
牛頓之墓
英國君主任命。西敏寺的正式名稱因此改為「威斯敏斯特聖彼得學院教堂」,其後三個世紀,西敏寺成為牛津與劍橋之後的第三所英國高等學府。詩人亞歷山大·波普(Alexander Pope)為牛頓寫下了以下這段墓誌銘:Nature and Nature' law lay hid in night ; God said,"Let Newton be," and all was light。自然與自然的定律,都隱藏在黑暗之中;上帝說"讓牛頓來吧!"於是,一切變為光明。
九百多年來,西敏寺除了供信徒作禮拜、祈禱、膜拜之外,也是英國慶典的重要場所。英國的社會名流無不以死後能安葬於此為榮耀。而根據統計,佔地面積達2972平方米的西敏寺(威斯敏斯特聖彼得學院教堂)內,安葬了共三千三百多人,包括很多當代的知名人士,如:達爾文、狄更斯、牛頓、丘吉爾……無數位在英國有著深遠影響的歷史人物都安息在西敏寺中,也有許多名人,本身並沒葬在這里,卻有寫上其名字的石板子嵌在地上作為紀念。而里頭最著名的便是牛頓,他是人類歷史上第一個獲得國葬的自然科學家。
他的墓地位於威斯敏斯特教堂正面大廳的中央,也就是中殿 (nave) 那裡,墓地上方聳立著一尊牛頓的雕像,其石像倚坐在一堆書籍上,雙手沒有合十。身邊有兩位天使,還有一個巨大的地球造型以紀念他在科學上的功績。
不管牛頓的生平有過多少謎團和爭議,但這都不足以降低牛頓的影響力。1726年,伏爾泰曾說過牛頓是最偉大的人,因為「他用真理的力量統治我們的頭腦,而不是用武力奴役我們」。
事實上,如果你查閱一部科學網路全書的索引,你會發現有關牛頓和他的定律及發現的材料要比任何一位科學家都多二到三倍。萊布尼茨並不是牛頓的朋友,他們之間曾有過非常激烈的爭論。但他寫道:「從世界的開始直到牛頓生活的時代為止,對數學發展的貢獻絕大部分是牛頓做出的。」偉大的法國科學家拉普拉斯寫到:「《原理》是人類智慧的產物中最卓越的傑作。」拉格朗日經常說牛頓是有史以來最偉大的天才。
牛頓的浮雕像
在美國學者麥克·哈特所著的《影響人類歷史進程的100名人排行榜》,牛頓名列第2位,僅次於穆罕默德。書中指出:在牛頓誕生後的數百年裡,人們的生活方式發現了翻天覆地的變化,而這些變化大都是基於牛頓的理論和發現。在過去500年裡,隨著現代科學的興起,大多數人的日常生活發生了革命性的變化。同1500年前的人相比,我們穿著不同,飲食不同,工作不同,更與他們不同的是我們還有大量的閑暇時間。科學發現不僅帶來技術上和經濟上的革命,它還完全改變了政治、宗教思想、藝術和哲學。
2003年,英國廣播公司在一次全球性的評選最偉大的英國人活動當中,牛頓被評為最偉大的英國人之首。在《偉大的英國人》系列紀錄片中專門編輯了牛頓專集的歷史學家特里斯特拉姆·亨特表示:「全球的公眾意識到牛頓的成就是世界性的,而且對全人類都產生影響。這些投票者顯然都跨越了國界,他對於牛頓的一馬當先感到高興。」
主要成就
力學成就
1679年,牛頓重新回到力學的研究中:引力及其對行星軌道的作用、開普勒的行星運動定律、與胡克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》(1684年)一書中,該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。[6]
《自然哲學的數學原理》(現常簡稱作《原理》)在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版於1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」(沉重)來為現今的引力(gravity)命名,並定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。[6]
由於《原理》的成就,牛頓得到了國際性的認可,並為他贏得了一大群支持者:牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒建立了非常親密的關系,直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。[6]
牛頓在伽利略等人工作的基礎上進行深入研究,總結出了物體運動的三個基本定律(牛頓三定律):
第一定律(即慣性定律)
任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時(Fnet=0),總保持勻速直線運動或靜止狀態,直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態為止。
第二定律
①牛頓第二定律是力的瞬時作用規律。力和加速度同時產生、同時變化、同時消逝。②F=ma是一個矢量方程,應用時應規定正方向,凡與正方向相同的力或加速度均取正值,反之取負值,一般常取加速度的方向為正方向。③根據力的獨立作用原理,用牛頓第二定律處理物體在一個平面內運動的問題時,可將物體所受各力正交分解,在兩個互相垂直的方向上分別應用牛頓第二定律的分量形式:Fx=max,Fy=may列方程。
牛頓第二定律的六個性質:①因果性:力是產生加速度的原因。②同體性:F合、m、a對應於同一物體。③矢量性:力和加速度都是矢量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定。牛頓第二定律數學表達式∑F = ma中,等號不僅表示左右兩邊數值相等,也表示方向一致,即物體加速度方向與所受合外力方向相同。④瞬時性:當物體(質量一定)所受外力發生突然變化時,作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時發生突變;當合外力為零時,加速度同時為零,加速度與合外力保持一一對應關系。牛頓第二定律是一個瞬時對應的規律,表明了力的瞬間效應。⑤相對性:自然界中存在著一種坐標系,在這種坐標系中,當物體不受力時將保持勻速直線運動或靜止狀態,這樣的坐標系叫慣性參照系。地面和相對於地面靜止或作勻速直線運動的物體可以看作是慣性參照系,牛頓定律只在慣性參照系中才成立。⑥獨立性:作用在物體上的各個力,都能各自獨立產生一個加速度,各個力產生的加速度的失量和等於合外力產生的加速度。
適用范圍:①只適用於低速運動的物體(與光速比速度較低)。②只適用於宏觀物體,牛頓第二定律不適用於微觀原子。③參照系應為慣性系。兩個物體之間的作用力和反作用力,在同一直線上,大小相等,方向相反。(詳見牛頓第三運動定律)
第三定律
表達式F=-F'(F表示作用力,F'表示反作用力,負號表示反作用力F'與作用力F的方向相反)
這三個非常簡單的物體運動定律,為力學奠定了堅實的基礎,並對其他學科的發展產生了巨大影響。第一定律的內容伽利略曾提出過,後來R.笛卡兒作過形式上的改進,伽利略也曾非正式地提到第二定律的內容。第三定律的內容則是牛頓在總結C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的結果之後得出的。
牛頓是萬有引力定律的發現者。他在1665~1666年開始考慮這個問題。萬有引力定律(Law of universal gravitation)是艾薩克·牛頓在1687年於《自然哲學的數學原理》上發表的。1679年,R·胡克在寫給他的信中提出,引力應與距離平方成反比,地球高處拋體的軌道為橢圓,假設地球有縫,拋體將回到原處,而不是像牛頓所設想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信,但採用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上,他用數學方法導出了萬有引力定律。
牛頓把地球上物體的力學和天體力學統一到一個基本的力學體系中,創立了經典力學理論體系。正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規律,實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。
牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比。他說:流體部分之間由於缺乏潤滑性而引起的阻力,如果其他都相同,與流體部分之間分離速度成比例。在此把符合這一規律的流體稱為牛頓流體,其中包括最常見的水和空氣,不符合這一規律的稱為非牛頓流體。
在給出平板在氣流中所受阻力時,牛頓對氣體採用粒子模型,得到阻力與攻角正弦平方成正比的結論。這個結論一般地說並不正確,但由於牛頓的權威地位,後人曾長期奉為信條。20世紀,T·卡門在總結空氣動力學的發展時曾風趣地說,牛頓使飛機晚一個世紀上天。
關於聲的速度,牛頓正確地指出,聲速與大氣壓力平方根成正比,與密度平方根成反比。但由於他把聲傳播當作等溫過程,結果與實際不符,後來P.-S.拉普拉斯從絕熱過程考慮,修正了牛頓的聲速公式。
數學成就
牛頓微積分
大多數現代歷史學家都相信,牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學,並為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述,牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法,但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容,並直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間,萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。此外,萊布尼茨的符號和「微分法」被歐洲大陸全面地採用,在大約1820年以後,英國也採用了該方法。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程,而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他一直不願公布他的微積分學,是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒(Nicolas Fatio de Duillier)的聯系十分密切,後者一開始便被牛頓的引力定律所吸引。1691年,丟勒打算編寫一個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》,但從未完成它。一些研究牛頓的傳記作者認為他們之間的關系可能存在愛情的成分。不過,在1694年這兩個人之間的關系冷卻了下來。在那個時候,丟勒還與萊布尼茨交換了幾封信件。
在1699年初,皇家學會(牛頓也是其中的一員)的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果,爭論在1711年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布,一項調查表明了牛頓才是真正的發現者,而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來,發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫,因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰,並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活,直到後者在1716年逝世。這場爭論在英國和歐洲大陸的數學家間劃出了一道鴻溝,並可能阻礙了英國數學至少一個世紀的發展。
牛頓的一項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理,它適用於任何冪。他發現了牛頓恆等式、牛頓法,分類了立方面曲線(兩變數的三次多項式),為有限差理論作出了重大貢獻,並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程的解。他用對數趨近了調和級數的部分和(這是歐拉求和公式的一個先驅),並首次有把握地使用冪級數和反轉(revert)冪級數。他還發現了π的一個新公式。
他在1669年被授予盧卡斯數學教授席位。在那一天以前,劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過,盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍於教堂(大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上)。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件,這需要查理二世的許可,後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的沖突。
17世紀以來,原有的幾何和代數已難以解決當時生產和自然科學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、解析幾何、無窮級數等成就,但還不能圓滿或普遍地解決這些問題。當時笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算術》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一為兩類演算法:正流數術(微分)和反流數術(積分),反映在1669年的《運用無限多項方程》、1671年的《流數術與無窮級數》、1676年的《曲線求積術》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》中。所謂「流量」就是隨時間而變化的自變數如x、y、s、u等,「流數」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年首次公布了他發明的二項式展開定理。牛頓利用它還發現了其他無窮級數,並用來計算面積、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,從此牛頓創立的微積分學在大陸各國迅速推廣。
微積分的出現,成了數學發展中除幾何與代數以外的另一重要分支——數學分析(牛頓稱之為「藉助於無限多項方程的分析」),並進一步進進發展為微分幾何、微分方程、變分法等等,這些又反過來促進了理論物理學的發展。例如瑞士J.伯努利曾徵求最速降落曲線的解答,這是變分法的最初始問題,半年內全歐數學家無人能解答。1697年,一天牛頓偶然聽說此事,當天晚上一舉解出,並匿名刊登在《哲學學報》上。伯努利驚異地說:「從這鋒利的爪中我認出了雄獅」。
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,對以往分散的結論加以綜合,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。
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。
牛頓在前人工作的基礎上,提出「流數(fluxion)法」,建立了二項式定理,並和G.W.萊布尼茨幾乎同時創立了微積分學,得出了導數、積分的概念和運演算法則,闡明了求導數和求積分是互逆的兩種運算,為數學的發展開辟了一個新紀元。
二項式定理
在一六六五年,剛好二十二歲的牛頓發現了二項式定理,這對於微積分的充分發展是必不可少的一步。二項式定理在組合理論、開高次方、高階等差數列求和,以及差分法中有廣泛的應用。
二項式級數展開式是研究級數論、函數論、數學分析、方程理論的有力工具。在今天我們會發覺這個方
推廣形式
法只適用於n是正整數,當n是正整數1,2,3,....... ,級數終止在正好是n+1項。如果n不是正整數,級數就不會終止,這個方法就不適用了。但是我們要知道那時,萊布尼茨在一六九四年才引進函數這個詞,在微積分早期階段,研究超越函數時用它們的級來處理是所用方法中最有成效的。
光學成就
牛頓曾致力於顏色的現象和光的本性的研究。1666年,他用三棱鏡研究日光,得出結論:白光是由不同顏色(即不同波長)的光混合而成的,不同波長的光有不同的折射率。在可見光中,紅光波長最長,折射率最小;紫光波長最短,折射率最大。牛頓的這一重要發現成為光譜分析的基礎,揭示了光色的秘密。牛頓還曾把一個磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面,壓在一個十分光潔的平面玻璃上,在白光照射下可看到,中心的接觸點是一個暗點,周圍則是明暗相間的同心圓圈。後人把這一現象稱為「牛頓環」。他創立了光的「微粒說」,從一個側面反映了光的運動性質,但牛頓對光的「波動說」並不持反對態度。
1704年,牛頓著成《光學》,系統闡述他在光學方面的研究成果,其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的,而普通物質是由較粗微粒組成,並推測如果通過某種煉金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎?物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力(Activity)嗎?牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機。
提出光的微粒說
從1670年到1672年,牛頓負責講授光學。在此期間,他研究了光的折射,表明棱鏡可以將白光發散為彩色光譜,而透鏡和第二個棱鏡可以將彩色光譜重組為白光。
牛頓
他還通過分離出單色的光束,並將其照射到不同的物體上的實驗,發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到,無論是反射、散射或發射,色光都會保持同樣的顏色。因此,我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果,而不是物體產生顏色的結果。
從這項工作中,他得出了如下結論:任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響,並因此發明了反射式望遠鏡(現稱作牛頓望遠鏡)來迴避這個問題。他自己打磨鏡片,使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質,製造出了優於折光式望遠鏡的儀器,而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年,他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記,這在後來擴大為《光學》(Opticks)一書。但當羅伯特·胡克批評了牛頓的某些觀點後,牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人,這一直持續到胡克去世。
牛頓認為光是由粒子或微粒組成的,並會因加速通過光密介質而折射,但他也不得不將它們與波聯系起來,以解釋光的衍射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋衍射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。
牛頓使用過的望遠鏡
在1675年的著作《解釋光屬性的解說》(Hypothesis Explaining the Properties of Light)中,牛頓假定了以太的存在,認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學家亨利·莫爾(Henry More)接觸後重新燃起了對煉金術的興趣,並改用源於漢密斯神智學(Hermeticism)中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋,替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說:「牛頓不是理性時代的第一人,他是最後的一位煉金術士。」但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關,而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用,他可能也不會發展出他的引力理論。
人物評價
物理世界的科學觀點,並成為現代工程學的基礎。他通過論證開普勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性,展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律;從而消除了對太陽中心說的最後一絲疑慮,並推動了科學革命。
在力學上,牛頓闡明了角動量守恆的原理。在光學上,他發明了反射式望遠鏡,並基於對三棱鏡將白光發散成可見光譜的觀察,發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律,並研究了音速。在數學上,牛頓與戈特弗里德·萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理,提出了「牛頓法」以趨近函數的零點,並為冪級數的研究作出了貢獻。
1687年的巨作《自然哲學的數學原理》,開辟了大科學時代。牛頓是最有影響的科學家,被譽為「物理學之父」,他是經典力學基礎的牛頓運動定律的建立者。他發現的運動三定律和萬有引力定律,為近代物理學和力學奠定了基礎,他的萬有引力定律和哥白尼的日心說奠定了現代天文學的理論基礎。直到今天,人造地球衛星、火箭、宇宙飛船的發射升空和運行軌道的計算,都仍以這作為理論根據。在2005年,英國皇家學會進行了一場名為「誰是科學史上最有影響力的人」的民意調查,牛頓被認為比阿爾伯特·愛因斯坦更具影響力。對牛頓的毛發進行基因分析,認為牛頓是艾斯伯格癥候群攜帶者,有XQ28基因的表現,這更增添了牛頓的神秘感,但並未影響到他巨人的形象。
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牛頓
一、生平簡介 牛頓(1643—1727)是英國著名的物理學家、數學家和天文學家,是十七世紀最偉大的科學巨匠。
1643年1月4日(儒略歷1642年12月25日)牛頓誕生於英格蘭林肯郡的小鎮烏爾斯索普的一個自耕農家庭。12歲進入離家不遠的格蘭瑟姆中學。 牛頓於1661年以減費生的身份進入劍橋大學三一學院,1664年成為獎學金獲得者,1665年獲學士學位。
1665~1666年倫敦大疫。劍橋離倫敦不遠,為恐波及,學校停課。牛頓於1665年6月回故鄉烏爾斯索普。
1667年牛頓返劍橋大學,10月1日被選為三一學院的仲院侶,次年3月16日被選為正院侶。當時巴羅對牛頓的才能有充分認識。1669年10月27日巴羅便讓年僅26歲的牛頓接替他擔任盧卡斯講座的教授。
1672年起他被接納為皇家學會會員,1703年被選為皇家學會主席
牛頓於1696年謀得造幣廠監督職位,1699年升任廠長,1701年辭去劍橋大學工作。1705年受封為爵士。
牛頓晚年患有膀胱結石、風濕等多種疾病,於1727年3月30日深夜在倫敦去世,葬在威斯特教堂,終年84歲。人們為了紀念牛頓,特地用他的名字來命名力的單位,簡稱「牛」。
二、科學成就
牛頓一生對科學事業所做的貢獻,遍及物理學、數學和天文學等領域。
1.牛頓在物理學上最主要的成就,是創立了經典力學的基本體系,從而光成了物理學史上第一次大綜合。
2£? 對於光學,牛頓致力於光的顏色和光的本性的研究,也作出了重大貢獻。
3£? 牛頓在數學方面,總結和發展了前人的工作,提出了「流數法」,建立了二項式定理,創立了微積分。
4£? 在天文學方面,牛頓發現了萬有引力定律,創制了反射望遠鏡,並且用它初步觀察到了行星運動的規律。
牛頓在17世紀70年代設計的望遠鏡。它一般被稱為反射望遠鏡,效果遠優於伽利略所設計的著名的折射望遠鏡。
三、趣聞軼事
1£? 關於蘋果落地的故事
一個偶然的事件往往能引發一位科學家思想的閃光。
這是1666年夏末一個溫曖的傍晚,在英格蘭林肯郡烏爾斯索普,一個腋下夾著一本書的年輕人走進他母親家的花園里,坐在一棵樹下,開始埋頭讀他的書。當他翻動書頁時,他頭頂的樹枝中有樣東西晃動起來。一隻歷史上最著名的蘋果落了下來,打在23歲的伊薩克牛頓的頭上
恰巧在那天,牛頓正苦苦思索著一個問題:是什麼力量使月球保持在環繞地球運行的軌道上,以及使行星保持在其環繞太陽運行的軌道上?為什麼這只打中他腦袋的蘋果會墜落到地上?正是從思考這一問題開始,他找到了這些的答案——萬有引力理論。
由於牛頓的《自然哲學的數學原理》一書用的是歐幾里德幾何學的表述方式,它是一個嚴密的、完美的體系,書中沒有敘述蘋果落地的故事,致使許多人對蘋果落地一說持保留意見。
實際上,牛頓的親戚和朋友多次證實蘋果落地的故事。法國文學家、科學家伏爾泰曾追憶過,他在牛頓去世前一年,即1726年去英國時,聽牛頓的繼姊妹說過,一天,牛頓躺在蘋果樹下,忽然看到一個蘋果落地,引起了他的思考。牛頓靈機一動,腦中突然形成一種觀點:蘋果落地和行星繞日會不會由同一宇宙規律所支配的?悟出了萬有引力定律。
牛頓晚年的一位密友斯多克雷也明確提到,在1726年4月的一天,和牛頓共進午餐後,一起來到牛頓家後園,並在蘋果樹下飲茶。在談話中「他(指牛頓)告訴我正是在過去同樣情況下,注意引力的思想出現在他的腦海里,那是在一棵蘋果樹下偶然發生的,當時他處於沉思冥想之中。」
還有牛頓晚年的另一位密友潘伯頓在有關追憶牛頓的著作中,也談及因蘋果落地而引起驗證引力平方反比關系的故事。
牛頓在晚年再次講述當時蘋果的故事,那是離蘋果落地時已經是60年過去了,為什麼一個老人對此事記憶那麼深刻,我認為有兩個原因:首先是因為萬有引力定律是一項舉世矚目的輝煌的成果,當事人對觸發靈感的事件當然是深深的激動和懷念的;其次是與胡克的爭執也留下深深的記憶,牛頓就從一個側面澄清事實真相,應該認為蘋果落地一說的事實是成立的。
2.科學研究的痴情
牛頓對於科學研究專心到痴情的地步。據說有一次牛頓煮雞蛋,他一邊看書一邊幹活,糊里糊塗地把一塊懷表扔進了鍋里,等水煮開後,揭蓋一看,才知道錯把懷表當雞蛋煮了。還有一次,一位來訪的客人請他估價一具棱鏡。牛頓一下就被這具可以用作科學研究的棱鏡吸引住了,毫不遲疑地回答說:「它是一件無價之寶!」客人看到牛頓對棱鏡垂涎三尺,表示願意賣給他,還故意要了一個高價。牛頓立即欣喜地把它買了下來,管家老太太知道了這件事,生氣地說:「咳,你這個笨蛋,你只要照玻璃的重量折一個價就行了!」
3.喜歡養貓
傳說牛頓在蓋房子時,堅持要留大小兩個貓洞,好讓大貓走大洞、小貓走小洞。當然,這只是個傳說,不足為據。不過牛頓喜歡養貓倒是真的。由於牛頓終身未婚,貓成了他生活中不可缺少的夥伴,但貓也給他惹了不小的麻煩,1692年牛頓母親去世使他極其痛苦。一天早晨,他為了平靜一下,到橋大學禮拜堂做禮拜時,忘了熄滅蠟燭,可能是貓闖的禍,蠟燭翻倒後,把擺在桌上的光學、化學手稿和其他論文化為灰燼。
4.終身未婚之迷
牛頓少年時代在一首詩里表白自己的遠大抱負:
世俗的冠冕啊,我鄙視它如同腳下的塵土,
它是沉重的,而最佳也只是一場空虛;
可是現在我愉快地歡迎頂荊棘冠冕,
盡管刺得人痛,但味道主要的是甜;
我看見光榮之冠在我的面前呈現,
它充滿幸福,永恆無邊。
可以說,每一個偉大的科學家,都是富的激情、富有理想的詩人,但牛頓是一個追求用科學中的光線譜來解釋他的理想的特殊類型的詩人。他讓他的思想展翅飛翔,以整個宇宙作為藩籬。在他的整個心田裡,填滿了自然、宇宙。也許這是他終身未娶的最根本原因。
不過,牛頓並沒有完全與愛情絕緣。他一生中甚至有過兩次戀愛。牛頓23歲正在劍橋大學求學時,由於劍橋發生了瘟疫,學校放假。牛頓回到鄉下,住在舅父家裡。在那裡,他一次愛上了美麗、聰明、好學、富有思想的表妹。表妹也很喜歡這個學識淵博、卓見非凡的大學生。他們常常一起散步。牛頓喜歡即興發表長篇講話,他的講話內容又多是他正在學習和研究的問題。表妹雖聽不懂,但她還是耐心地聽,似乎覺得很有趣。牛頓在心裡想:「這樣一個可愛的女子,對於我所講的覺得這樣有味,我一定很不錯。當然,她的腦筋一定也很好,是個不平凡的女子。如果能得到她的幫助,解決我的許多困難問題,與我共同工作,那該多好啊!」
但是牛頓生性靦腆,並未及時向表妹表白心中的愛情。等他回到劍橋大學後,又聚集會神地沉浸到科學研究中去了。他早已忘記了遠方的鄉村還有一位美麗的少女在等著他。他對個人生活一直不予重視,而她的表妹卻誤以為牛頓對她冷淡,便擇夫另嫁了。牛頓因醉心於科學研究而耽誤了一次愛情的大好時機。
牛頓實在太忙了,他連做夢想是宇宙、世界。他往往領帶不結,鞋帶不系好,馬褲也不扣好,就走進大學餐廳。盡管如此,牛頓畢竟是個年輕人,還有一顆浪漫的心。有一次,「青春迫不及待的激情」,催使他向一位年輕姑娘求婚。他輕輕地握著她的手,含情脈脈地看著這位美人。正在這緊要關頭,他的心思忽地溜到另一個世界去了。他的頭腦中只剩下無窮量的二項式定理。他象做夢似的,下意識地抓住情人的一個手指,把它當成是通煙斗的通條,硬往煙斗里塞。姑娘痛得大叫一聲,他才清醒過來。面對吃驚的姑娘,他連忙象只綿羊似的柔聲道歉:「啊,親愛的,饒恕我吧!我知道,我是不行了。看來,我是該打一輩子光棍!」
姑娘饒恕了牛頓,卻無法理解他,愛情又成了泡影。科學上許多新的問題不斷撲向牛頓的腦海,他整個熱情都集中到了科學事業上。此後那種「青春的熱情」再也沒有涌現《多彩的旋律》
5、名言
(1)「我不知道世人怎樣看我,但我自己以為我不過像一個在海邊玩耍的孩子,不時為發現比尋常更為美麗的一塊卵石或一片貝殼而沾沾自喜,至於展現在我面前的浩翰的真理海洋,卻全然沒有發現。」
(2)「如果說我所看的比笛卡爾更遠一點,那是因為站在巨人肩上的緣故」。
6、牛頓學說在中國傳播及其影響
牛頓學說在中國的傳播
牛頓生活的年代相當於明亡之前一年到清雍正5年,《自然哲學的數學原理》一書發表的時間相當於康熙25年。從牛頓《原理》發表的1687年到1840年的150餘年間,牛頓物理學和天文學知識幾乎沒有介紹到中國。《原理》一書的基本內容直到鴉片戰爭之後才在中國傳播。
牛頓學說對中國的影響
哥白尼的太陽中心說、開普勒的橢圓軌道、牛頓的萬有引力三者相繼傳入中國,它們和中土奉為圭臬的「天動地靜」、「天圓地方」、「陰陽相感」的傳統有天壤之別。這就不能不引起中國人的巨大反響。
牛頓學說在中國的傳播決不只是影響了學術界,喚醒了人們對於科學真理的認識。更重要的是,也為中國資產階級改良派發起的戊戌變法(1898年)提供了一種輿論准備。這個運動的主將康有為、梁啟超和譚嗣同等人,都無例外地從牛頓學說中尋找維新變法的根據,尤其是牛頓在科學上革故圖新的精神鼓舞了清代一切希望變革社會的有志之士。
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人物生平 一陸四吧年,牛頓被送去讀書。少年時的牛頓並不是神童,他成績一般,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,就不斷地跑動,於是輪子不停地轉動;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。 學生時代 一陸5四年,牛頓進了離家有十幾公里九龍的金格斯皇家中學讀書。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。他在金格斯皇家中學讀書時,曾經寄宿在一位葯劑師家裡,使他受到了化學試驗的熏陶。 後來迫於生活困難,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,發現他的外甥牛頓伸著腿,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。 從一二 歲左右到一漆歲,牛頓都在金格斯皇家中學學習,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,並在一陸59年一0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。所幸金格斯皇家中學的校長亨利·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。他在一吧歲時完成了中學的學業,並得到了一份完美的畢業報告。 一陸陸一年陸月三日,他進入了劍橋大學的三一學院。[5] 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。一陸陸5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。在一陸陸5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。 政治生涯 一陸陸9年,被授予盧卡斯數學教授席位。 一陸吧9年,他當選為國會議員。牛頓在一陸吧9年到一陸90年和一漆0一年是皇家科學院的成員,在一漆0三年成為皇家學會會長,並任職二四年之久,在歷任會長中僅次於約瑟夫·班克斯,同時也是法國科學院的會員。 一陸9陸年,牛頓通過了當時的財政大臣查爾斯·孟塔古的提攜遷到了倫敦作皇家鑄幣廠的監管,一直到去世。他主持了英國最大的貨幣重鑄工作,此職位一般都是閑職,但牛頓卻非常認真的對待。身為皇家鑄幣廠的主管官員,牛頓估計大約有二0%的硬幣是偽造的。為那些惡名昭著的罪犯定罪是非常困難的;不過事實證明牛頓做得可以。牛頓為此當上了太平紳士。 一漆05年,牛頓被安妮女王封為爵士。 牛頓在一陸漆0年代寫了很多處理聖經的文字解釋的宗教小冊子。亨利·摩爾的宇宙信仰和拒絕笛卡兒二元論影響了牛頓的宗教觀念。在他發給約翰·洛克的一個從未發表的手稿中,他爭議了三位一體的存在性。 與世長辭 一漆二漆年三月三一日(格蘭歷),偉大的艾薩克·牛頓逝世,與很多傑出的英國人一樣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 當西元一漆二漆年牛頓以吧5歲的高齡過世時,英國人將他葬於西敏寺。西敏寺的前身是一個修道院,一5漆9年,英國女王伊麗莎白一世將西敏寺改為學院,校長由 牛頓之墓 英國君主任命。西敏寺的正式名稱因此改為「威斯敏斯特聖彼得學院教堂」,其後三個世紀,西敏寺成為牛津與劍橋之後的第三所英國高等學府。詩人亞歷山大·波普(Alexander Pope)為牛頓寫下了以下這段墓誌銘:Nature and Nature' law lay hid in night ; God said,"Let Newton be," and all was light。自然與自然的定律,都隱藏在黑暗之中;上帝說"讓牛頓來吧!"於是,一切變為光明。 九百多年來,西敏寺除了供信徒作禮拜、祈禱、膜拜之外,也是英國慶典的重要場所。英國的社會名流無不以死後能安葬於此為榮耀。而根據統計,佔地面積達二9漆二平方米的西敏寺(威斯敏斯特聖彼得學院教堂)內,安葬了共三千三百多人,包括很多當代的知名人士,如:達爾文、狄更斯、牛頓、丘吉爾……無數位在英國有著深遠影響的歷史人物都安息在西敏寺中,也有許多名人,本身並沒葬在這里,卻有寫上其名字的石板子嵌在地上作為紀念。而里頭最著名的便是牛頓,他是人類歷史上第一個獲得國葬的自然科學家。 他的墓地位於威斯敏斯特教堂正面大廳的中央,也就是中殿 (nave) 那裡,墓地上方聳立著一尊牛頓的雕像,其石像倚坐在一堆書籍上,雙手沒有合十。身邊有兩位天使,還有一個巨大的地球造型以紀念他在科學上的功績。 不管牛頓的生平有過中國謎團和爭議,但這都不足以降低牛頓的影響力。一漆二陸年,伏爾泰曾說過牛頓是最偉大的人,因為「他用真理的力量統治我們的頭腦,而不是用武力奴役我們」。 事實上,如果你查閱一部科學網路全書的索引,你會發現有關牛頓和他的定律及發現的材料要比任何一位科學家都多二到三倍。萊布尼茨並不是牛頓的朋友,他們之間曾有過非常激烈的爭論。但他寫道:「從世界的開始直到牛頓生活的時代為止,對數學發展的貢獻絕大部分是牛頓做出的。」偉大的法國科學家拉普拉斯寫到:「《原理》是人類智慧的產物中最卓越的傑作。」拉格朗日經常說牛頓是有史以來最偉大的天才。 牛頓的浮雕像 在美國學者麥克·哈特所著的《影響人類歷史進程的一00名人排行榜》,牛頓名列第二位,僅次於穆罕默德。書中指出:在牛頓誕生後的數百年裡,人們的生活方式發現了翻天覆地的變化,而這些變化大都是基於牛頓的理論和發現。在過去500年裡,隨著現代科學的興起,大多數人的日常生活發生了革命性的變化。同一500年前的人相比,我們穿著不同,飲食不同,工作不同,更與他們不同的是我們還有大量的閑暇時間。科學發現不僅帶來技術上和經濟上的革命,它還完全改變了政治、宗教思想、藝術和哲學。 二00三年,英國廣播公司在一次全球性的評選最偉大的英國人活動當中,牛頓被評為最偉大的英國人之首。在《偉大的英國人》系列紀錄片中專門編輯了牛頓專集的歷史學家特里斯特拉姆·亨特表示:「全球的公眾意識到牛頓的成就是世界性的,而且對全人類都產生影響。這些投票者顯然都跨越了國界,他對於牛頓的一馬當先感到高興。」 主要成就 力學成就 一陸漆9年,牛頓重新回到力學的研究中:引力及其對行星軌道的作用、開普勒的行星運動定律、與胡克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》(一陸吧四年)一書中,該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。[陸] 《自然哲學的數學原理》(現常簡稱作《原理》)在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版於一陸吧漆年漆月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」(沉重)來為現今的引力(gravity)命名,並定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。[陸] 由於《原理》的成就,牛頓得到了國際性的認可,並為他贏得了一大群支持者:牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒建立了非常親密的關系,直到一陸9三年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。[陸] 牛頓在伽利略等人工作的基礎上進行深入研究,總結出了物體運動的三個基本定律(牛頓三定律): 第一定律(即慣性定律) 任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時(Fnet=0),總保持勻速直線運動或靜止狀態,直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態為止。 第二定律 ①牛頓第二定律是力的瞬時作用規律。力和加速度同時產生、同時變化、同時消逝。②F=ma是一個矢量方程,應用時應規定正方向,凡與正方向相同的力或加速度均取正值,反之取負值,一般常取加速度的方向為正方向。③根據力的獨立作用原理,用牛頓第二定律處理物體在一個平面內運動的問題時,可將物體所受各力正交分解,在兩個互相垂直的方向上分別應用牛頓第二定律的分量形式:Fx=max,Fy=may列方程。 牛頓第二定律的六個性質:①因果性:力是產生加速度的原因。②同體性:F合、m、a對應於同一物體。③矢量性:力和加速度都是矢量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定。牛頓第二定律數學表達式∑F = ma中,等號不僅表示左右兩邊數值相等,也表示方向一致,即物體加速度方向與所受合外力方向相同。④瞬時性:當物體(質量一定)所受外力發生突然變化時,作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時發生突變;當合外力為零時,加速度同時為零,加速度與合外力保持一一對應關系。牛頓第二定律是一個瞬時對應的規律,表明了力的瞬間效應。⑤相對性:自然界中存在著一種坐標系,在這種坐標系中,當物體不受力時將保持勻速直線運動或靜止狀態,這樣的坐標系叫慣性參照系。地面和相對於地面靜止或作勻速直線運動的物體可以看作是慣性參照系,牛頓定律只在慣性參照系中才成立。⑥獨立性:作用在物體上的各個力,都能各自獨立產生一個加速度,各個力產生的加速度的失量和等於合外力產生的加速度。 適用范圍:①只適用於低速運動的物體(與光速比速度較低)。②只適用於宏觀物體,牛頓第二定律不適用於微觀原子。③參照系應為慣性系。兩個物體之間的作用力和反作用力,在同一直線上,大小相等,方向相反。(詳見牛頓第三運動定律) 第三定律 表達式F=-F'(F表示作用力,F'表示反作用力,負號表示反作用力F'與作用力F的方向相反) 這三個非常簡單的物體運動定律,為力學奠定了堅實的基礎,並對其他學科的發展產生了巨大影響。第一定律的內容伽利略曾提出過,後來R.笛卡兒作過形式上的改進,伽利略也曾非正式地提到第二定律的內容。第三定律的內容則是牛頓在總結C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的結果之後得出的。 牛頓是萬有引力定律的發現者。他在一陸陸5~一陸陸陸年開始考慮這個問題。萬有引力定律(Law of universal gravitation)是艾薩克·牛頓在一陸吧漆年於《自然哲學的數學原理》上發表的。一陸漆9年,R·胡克在寫給他的信中提出,引力應與距離平方成反比,地球高處拋體的軌道為橢圓,假設地球有縫,拋體將回到原處,而不是像牛頓所設想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信,但採用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上,他用數學方法導出了萬有引力定律。 牛頓把地球上物體的力學和天體力學統一到一個基本的力學體系中,創立了經典力學理論體系。正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規律,實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。 牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比。他說:流體部分之間由於缺乏潤滑性而引起的阻力,如果其他都相同,與流體部分之間分離速度成比例。在此把符合這一規律的流體稱為牛頓流體,其中包括最常見的水和空氣,不符合這一規律的稱為非牛頓流體。 在給出平板在氣流中所受阻力時,牛頓對氣體採用粒子模型,得到阻力與攻角正弦平方成正比的結論。這個結論一般地說並不正確,但由於牛頓的權威地位,後人曾長期奉為信條。二0世紀,T·卡門在總結空氣動力學的發展時曾風趣地說,牛頓使飛機晚一個世紀上天。 關於聲的速度,牛頓正確地指出,聲速與大氣壓力平方根成正比,與密度平方根成反比。但由於他把聲傳播當作等溫過程,結果與實際不符,後來P.-S.拉普拉斯從絕熱過程考慮,修正了牛頓的聲速公式。 數學成就 牛頓微積分 大多數現代歷史學家都相信,牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學,並為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述,牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法,但在一陸9三年以前他幾乎沒有發表任何內容,並直至一漆0四年他才給出了其完整的敘述。其間,萊布尼茨已在一陸吧四年發表了他的方法的完整敘述。此外,萊布尼茨的符號和「微分法」被歐洲大陸全面地採用,在大約一吧二0年以後,英國也採用了該方法。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程,而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他一直不願公布他的微積分學,是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒(Nicolas Fatio de Duillier)的聯系十分密切,後者一開始便被牛頓的引力定律所吸引。一陸9一年,丟勒打算編寫一個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》,但從未完成它。一些研究牛頓的傳記作者認為他們之間的關系可能存在愛情的成分。不過,在一陸9四年這兩個人之間的關系冷卻了下來。在那個時候,丟勒還與萊布尼茨交換了幾封信件。 在一陸99年初,皇家學會(牛頓也是其中的一員)的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果,爭論在一漆一一年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布,一項調查表明了牛頓才是真正的發現者,而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來,發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫,因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰,並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活,直到後者在一漆一陸年逝世。這場爭論在英國和歐洲大陸的數學家間劃出了一道鴻溝,並可能阻礙了英國數學至少一個世紀的發展。 牛頓的一項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理,它適用於任何冪。他發現了牛頓恆等式、牛頓法,分類了立方面曲線(兩變數的三次多項式),為有限差理論作出了重大貢獻,並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程的解。他用對數趨近了調和級數的部分和(這是歐拉求和公式的一個先驅),並首次有把握地使用冪級數和反轉(revert)冪級數。他還發現了π的一個新公式。 他在一陸陸9年被授予盧卡斯數學教授席位。在那一天以前,劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過,盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍於教堂(大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上)。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件,這需要查理二世的許可,後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的沖突。 一漆世紀以來,原有的幾何和代數已難以解決當時生產和自然科學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、解析幾何、無窮級數等成就,但還不能圓滿或普遍地解決這些問題。當時笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算術》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一為兩類演算法:正流數術(微分)和反流數術(積分),反映在一陸陸9年的《運用無限多項方程》、一陸漆一年的《流數術與無窮級數》、一陸漆陸年的《曲線求積術》三篇論文和《原理》一書中,以及被保存下來的一陸陸陸年一0月他寫的在朋友們中間傳閱的一篇手稿《論流數》中。所謂「流量」就是隨時間而變化的自變數如x、y、s、u等,「流數」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,他還在一陸漆陸年首次公布了他發明的二項式展開定理。牛頓利用它還發現了其他無窮級數,並用來計算面積、積分、解方程等等。一陸吧四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,從此牛頓創立的微積分學在大陸各國迅速推廣。 微積分的出現,成了數學發展中除幾何與代數以外的另一重要分支——數學分析(牛頓稱之為「藉助於無限多項方程的分析」),並進一步進進發展為微分幾何、微分方程、變分法等等,這些又反過來促進了理論物理學的發展。例如瑞士J.伯努利曾徵求最速降落曲線的解答,這是變分法的最初始問題,半年內全歐數學家無人能解答。一陸9漆年,一天牛頓偶然聽說此事,當天晚上一舉解出,並匿名刊登在《哲學學報》上。伯努利驚異地說:「從這鋒利的爪中我認出了雄獅」。 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,對以往分散的結論加以綜合,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。 一漆0漆年,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。他在一漆三陸年出版的《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》,於一漆0四年發表。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。 牛頓在前人工作的基礎上,提出「流數(fluxion)法」,建立了二項式定理,並和G.W.萊布尼茨幾乎同時創立了微積分學,得出了導數、積分的概念和運演算法則,闡明了求導數和求積分是互逆的兩種運算,為數學的發展開辟了一個新紀元。 二項式定理 在一六六五年,剛好二十二歲的牛頓發現了二項式定理,這對於微積分的充分發展是必不可少的一步。二項式定理在組合理論、開高次方、高階等差數列求和,以及差分法中有廣泛的應用。 二項式級數展開式是研究級數論、函數論、數學分析、方程理論的有力工具。在今天我們會發覺這個方 推廣形式 法只適用於n是正整數,當n是正整數一,二,三,....... ,級數終止在正好是n+一項。如果n不是正整數,級數就不會終止,這個方法就不適用了。但是我們要知道那時,萊布尼茨在一六九四年才引進函數這個詞,在微積分早期階段,研究超越函數時用它們的級來處理是所用方法中最有成效的。 光學成就 牛頓曾致力於顏色的現象和光的本性的研究。一陸陸陸年,他用三棱鏡研究日光,得出結論:白光是由不同顏色(即不同波長)的光混合而成的,不同波長的光有不同的折射率。在可見光中,紅光波長最長,折射率最小;紫光波長最短,折射率最大。牛頓的這一重要發現成為光譜分析的基礎,揭示了光色的秘密。牛頓還曾把一個磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面,壓在一個十分光潔的平面玻璃上,在白光照射下可看到,中心的接觸點是一個暗點,周圍則是明暗相間的同心圓圈。後人把這一現象稱為「牛頓環」。他創立了光的「微粒說」,從一個側面反映了光的運動性質,但牛頓對光的「波動說」並不持反對態度。 一漆0四年,牛頓著成《光學》,系統闡述他在光學方面的研究成果,其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的,而普通物質是由較粗微粒組成,並推測如果通過某種煉金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎?物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力(Activity)嗎?牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機。 提出光的微粒說 從一陸漆0年到一陸漆二年,牛頓負責講授光學。在此期間,他研究了光的折射,表明棱鏡可以將白光發散為彩色光譜,而透鏡和第二個棱鏡可以將彩色光譜重組為白光。 牛頓 他還通過分離出單色的光束,並將其照射到不同的物體上的實驗,發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到,無論是反射、散射或發射,色光都會保持同樣的顏色。因此,我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果,而不是物體產生顏色的結果。 從這項工作中,他得出了如下結論:任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響,並因此發明了反射式望遠鏡(現稱作牛頓望遠鏡)來迴避這個問題。他自己打磨鏡片,使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質,製造出了優於折光式望遠鏡的儀器,而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。一陸漆一年,他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記,這在後來擴大為《光學》(Opticks)一書。但當羅伯特·胡克批評了牛頓的某些觀點後,牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人,這一直持續到胡克去世。 牛頓認為光是由粒子或微粒組成的,並會因加速通過光密介質而折射,但他也不得不將它們與波聯系起來,以解釋光的衍射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋衍射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。 牛頓使用過的望遠鏡 在一陸漆5年的著作《解釋光屬性的解說》(Hypothesis Explaining the Properties of Light)中,牛頓假定了以太的存在,認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學家亨利·莫爾(Henry More)接觸後重新燃起了對煉金術的興趣,並改用源於漢密斯神智學(Hermeticism)中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋,替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說:「牛頓不是理性時代的第一人,他是最後的一位煉金術士。」但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關,而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用,他可能也不會發展出他的引力理論。 人物評價 物理世界的科學觀點,並成為現代工程學的基礎。他通過論證開普勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性,展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律;從而消除了對太陽中心說的最後一絲疑慮,並推動了科學革命。 在力學上,牛頓闡明了角動量守恆的原理。在光學上,他發明了反射式望遠鏡,並基於對三棱鏡將白光發散成可見光譜的觀察,發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律,並研究了音速。在數學上,牛頓與戈特弗里德·萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理,提出了「牛頓法」以趨近函數的零點,並為冪級數的研究作出了貢獻。 一陸吧漆年的巨作《自然哲學的數學原理》,開辟了大科學時代。牛頓是最有影響的科學家,被譽為「物理學之父」,他是經典力學基礎的牛頓運動定律的建立者。他發現的運動三定律和萬有引力定律,為近代物理學和力學奠定了基礎,他的萬有引力定律和哥白尼的日心說奠定了現代天文學的理論基礎。直到今天,人造地球衛星、火箭、宇宙飛船的發射升空和運行軌道的計算,都仍以這作為理論根據。在二005年,英國皇家學會進行了一場名為「誰是科學史上最有影響力的人」的民意調查,牛頓被認為比阿爾伯特·愛因斯坦更具影響力。對牛頓的毛發進行基因分析,認為牛頓是艾斯伯格癥候群攜帶者,有XQ二吧基因的表現,這更增添了牛頓的神秘感,但並未影響到他巨人的形象
⑹ 找一個物理科學家的故事200字以上
按照現代的歷法,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埃爾斯索普村的埃爾斯索普庄園。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 艾薩克·牛頓杯中。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,並因母親嫁給他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,要把他們連同房子一齊燒掉……」
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。
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。
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中年
數學
大多數現代歷史學家都相信,牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學,並為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述,牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法,但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容,並直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間,萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。此外,萊布尼茨的符號和「微分法」被歐洲大陸全面地採用,在大約1820年以後,英國也採用了該方法。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程,而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他一直不願公布他的微積分學,是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒(Nicolas Fatio de Duillier)的聯系十分密切,後者一開始便被牛頓的引力定律所吸引。 1691年,丟勒打算編寫一個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》,但從未完成它。一些研究牛頓的傳記作者認為他們之間的關系可能存在愛情的成分。 不過,在1694年這兩個人之間的關系冷卻了下來。在那個時候,丟勒還與萊布尼茨交換了幾封信件。
在1699年初,皇家學會(牛頓也是其中的一員)的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果,爭論在1711年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布,一項調查表明了牛頓才是真正的發現者,而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來,發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫,因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰,並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活,直到後者在1716年逝世。這場爭論在英國和歐洲大陸的數學家間劃出了一道鴻溝,並可能阻礙了英國數學至少一個世紀的發展。
牛頓的一項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理,它適用於任何冪。他發現了牛頓恆等式、牛頓法,分類了立方面曲線(兩變數的三次多項式),為有限差理論作出了重大貢獻,並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程的解。他用對數趨近了調和級數的部分和(這是歐拉求和公式的一個先驅),並首次有把握地使用冪級數和反轉(revert)冪級數。他還發現了π的一個新公式。
他在1669年被授予盧卡斯數學教授席位。在那一天以前,劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過,盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍於教堂(大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上)。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件,這需要查理二世的許可,後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的沖突。
光學
從1670年到1672年,牛頓負責講授光學。在此期間,他研究了光的折射,表明棱鏡可以將白光發散為彩色光譜,而透鏡和第二個棱鏡可以將彩色光譜重組為白光。 他還通過分離出單色的光束,並將其照射到不同的物體上的實驗,發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到,無論是反射、散射或發射,色光都會保持同樣的顏色。因此,我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果,而不是物體產生顏色的結果。
從這項工作中,他得出了如下結論:任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響,並因此發明了反射式望遠鏡(現稱作牛頓望遠鏡)來迴避這個問題。他自己打磨鏡片,使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質,製造出了優於折光式望遠鏡的儀器,而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年,他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記,這在後來擴大為《光學》(Opticks)一書。但當羅伯特·胡克批評了牛頓的某些觀點後,牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人,這一直持續到胡克去世。
牛頓認為光是由粒子或微粒組成的,並會因加速通過光密介質而折射,但他也不得不將它們與波聯系起來,以解釋光的衍射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋衍射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。
在1675年的著作《解釋光屬性的解說》(Hypothesis Explaining the Properties of Light)中,牛頓假定了以太的存在,認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學家亨利·莫爾(Henry More)接觸後重新燃起了對煉金術的興趣,並改用源於漢密斯神智學(Hermeticism)中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋,替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說:「牛頓不是理性時代的第一人,他是最後的一位煉金術士。」但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關,而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用,他可能也不會發展出他的引力理論。 (參見艾薩克·牛頓的神秘學研究)
1704年,牛頓著成《光學》,其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的,而普通物質是由較粗微粒組成,並推測如果通過某種煉金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎?物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力(Activity)嗎?牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機。
力學和引力
1679年,牛頓重新回到力學的研究中:引力及其對行星軌道的作用、開普勒的行星運動定律、與胡克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》(1684年)一書中,該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。
《自然哲學的數學原理》(現常簡稱作《原理》)在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版於1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」(沉重)來為現今的引力(gravity)命名,並定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。
由於《原理》的成就,牛頓得到了國際性的認可,並為他贏得了一大群支持者:牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒建立了非常親密的關系,直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。
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晚年
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,提出了「神的第一推動力」的理論。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31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。
⑺ 比特幣會不會漲到100萬人民幣一枚呢
最終得到如下比特幣價格和用戶數之間的關系,這正是邏輯斯蒂關系。和生物學上描述物種數量隨時間變化的關系是一類方程,因此論文標題為「比特幣向病毒一樣傳播」(Bitcoin Spreads Like a Virus)。
研究還發現,這一關系並不是偶然的,而是有背後規律的,這就是梅特卡夫定律(Metcalfe』s law)。
梅特卡夫定律(Metcalfe』s law)
20世紀80年代,以太坊發明者羅伯特·梅特卡夫提出評估互聯網網路價值的方法。他認為,網路的價值與網路節點(用戶)的平方成正比。 這也就是所謂的「網路效應」,用戶越多,網路的價值越大。
在一個具有n個用戶的網路中,每個用戶和其他用戶發生的鏈接數為n(n-1)/2,在n很大時,n(n-1)/2約等於n²。這樣,梅特卡夫定律形式如下:Network Value等於常數C乘以n的平方。
但是如果n隨著時間線性增長,則網路價值會隨著時間指數增長,沒有邊界,顯然不符合現實。因此,2013年梅特卡夫修正認為,n應該是邏輯斯蒂增長(logistic growth),也就是人們熟知的「S」形增長。
這一規律不僅僅適用於比特幣, Peterson同樣研究了Facebook價格隨時間的變化,發現Facebook的價格也適用梅特卡夫定律(Metcalfe』s law)。