牛頓和愛因斯坦兩個歷史人物的物理學(xué)理論間的關(guān)系

熱心網(wǎng)友：愛因斯坦的貢獻        物質(zhì)不滅定律，說的是物質(zhì)的質(zhì)量不滅；能量守恒定律，說的是物質(zhì)的能量守恒。         雖然這兩條偉大的定律相繼被人們發(fā)現(xiàn)了，但是人們以為這是兩個風(fēng)馬牛不相關(guān)的定律，各自說明了不同的自然規(guī)律。甚至有人以為，物質(zhì)不滅定律是一條化學(xué)定律，能量守恒定律是一條物理定律，它們分屬于不同的科學(xué)范疇。        愛因斯坦認為，物質(zhì)的質(zhì)量是慣性的量度，能量是運動的量度；能量與質(zhì)量并不是彼此孤立的，而是互相聯(lián)系的，不可分割的。物體質(zhì)量的改變，會使能量發(fā)生相應(yīng)的改變；而物體能量的改變，也會使質(zhì)量發(fā)生相應(yīng)的改變。         在狹義相對論中，愛因斯坦提出了著名的質(zhì)能公式：E＝mc^2        （這里的E代表物體的能量，m代表物體的質(zhì)量，c代表光的速度，即每秒30萬公里。）        按照愛因斯坦的理論，如果把1克溫度為0℃的水，加熱到100℃水吸收了100卡的熱量，這時水的質(zhì)量也相應(yīng)增加了。按照質(zhì)能關(guān)系公式計算，1克水的質(zhì)量增加了0.00000000000465克。        愛因斯坦的理論，最初受到許多人的反對，就連當(dāng)時一些著名物理學(xué)家也對這位年青人的論文表示懷疑。然而，隨著科學(xué)的發(fā)展，大量的科學(xué)實驗證明愛因斯坦的理論是正確的，愛因斯坦才一躍而成為世界著名的科學(xué)家，成為20世紀(jì)世界最偉大的科學(xué)家之一。         愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式，正確地解釋了各種原子核反應(yīng)：就拿氦4來說，它的原子核是由2個質(zhì)子和2個中子組成的。照理，氦4原子核的質(zhì)量就等于2個質(zhì)子和2個中子質(zhì)量之和。實際上，這樣的算術(shù)并不成立，氦核的質(zhì)量比2個質(zhì)子、2個中子質(zhì)量之和少了0.0302原子質(zhì)量單位[57]！這是為什么呢？因為當(dāng)2個氘[dao]核（每個氘核都含有1個質(zhì)子、1個中子）聚合成1個氦4原子核時，釋放出大量的原子能。生成1克氦4原子時，大約放出2700000000000焦耳的原子能。正因為這樣，氦4原子核的質(zhì)量減少了。         這個例子生動地說明：在2個氘原子核聚合成1個氦4原子核時，似乎質(zhì)量并不守恒，也就是氦4原子核的質(zhì)量并不等于2個氘核質(zhì)量之和。然而，用質(zhì)能關(guān)系公式計算，氦4原子核失去的質(zhì)量，恰巧等于因反應(yīng)時釋放出原子能而減少的質(zhì)量！        這樣一來，愛因斯坦就從更新的高度，闡明了物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律的實質(zhì)，指出了這兩條定律之間的密切關(guān)系，使人類對大自然的認識又深化了一步。        沒有什么大自然的奧秘，是人類所不能認識的；但是，大自然的奧秘又是無窮無盡的。人類永遠沒有一天完全認識得了大自然，沒有一天可以完全知道它的奧秘。只有永不知足，才能不斷前進。        物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律，是自然界的偉大定律。它來自客觀實際，又在客觀實際中久經(jīng)考驗。多少年來，這兩條定律經(jīng)受了千萬次考驗，象經(jīng)得起風(fēng)吹雨打的寶石一樣，閃耀著奪目的光芒。         物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律，已經(jīng)成為現(xiàn)代自然科學(xué)的基石，同時，它也從根本上給宗教的唯心主義觀點以致命的打擊，因為物質(zhì)是不能憑空創(chuàng)造的，也不能憑空消滅，所以誰也不再相信什么上帝創(chuàng)造萬物，上帝創(chuàng)造世界的反科學(xué)的謬論了。另外，它還雄辯地說明，世界上永遠不會有“永動機”。想不花費勞動就從大自然中獲取能源，是不可能的。         定律是客觀存在著的。人，雖然不能去“創(chuàng)造”定律，“改造”定律，但是，人可以去發(fā)現(xiàn)定律，掌握定律，利用定律。現(xiàn)在，物質(zhì)不滅宣告和能量守恒守律已經(jīng)被千百萬人所掌握。人們正在利用物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律，去征服自然，改造自然，揭開大自然的秘密！【著作】        《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》         《分子大小的新測定方法》         《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》《論動體的電動力學(xué)》         《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)系嗎？》         《狹義相對論》         《廣義相對論》【牛頓的成就】       力學(xué)方面的貢獻         牛頓在伽利略等人工作的基礎(chǔ)上進行深入研究，總結(jié)出了物體運動的三個基本定律（牛頓三定律）：①任何物體在不受外力或所受外力的合力為零時，保持原有的運動狀態(tài)不變，即原來靜止的繼續(xù)靜止，原來運動的繼續(xù)作勻速直線運動。②任何物體在外力作用下，運動狀態(tài)發(fā)生改變，其動量隨時間的變化率與所受的合外力成正比。通?？杀硎鰹椋何矬w的加速度與所受的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向與合外力的方向一致。③當(dāng)物體甲給物體乙一個作用力時，物體乙必然同時給物體甲一個反作用力，作用力和反作用力大小相等，方向相反，而且在同一直線上。這三個非常簡單的物體運動定律，為力學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ)，并對其他學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。第一定律的內(nèi)容伽利略曾提出過，后來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(nèi)容。第三定律的內(nèi)容則是牛頓在總結(jié)C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的結(jié)果之后得出的。       牛頓是萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)者。他在1665～1666年開始考慮這個問題。1679年，R·胡克在寫給他的信中提出，引力應(yīng)與距離平方成反比，地球高處拋體的軌道為橢圓，假設(shè)地球有縫，拋體將回到原處，而不是像牛頓所設(shè)想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信，但采用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上，他用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出了萬有引力定律。       牛頓把地球上物體的力學(xué)和天體力學(xué)統(tǒng)一到一個基本的力學(xué)體系中，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)理論體系。正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規(guī)律，實現(xiàn)了自然科學(xué)的第一次大統(tǒng)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：流體部分之間由于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?，F(xiàn)在把符合這一規(guī)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(guī)律的稱為非牛頓流體。          在給出平板在氣流中所受阻力時，牛頓對氣體采用粒子模型，得到阻力與攻角正弦平方成正比的結(jié)論。這個結(jié)論一般地說并不正確，但由于牛頓的權(quán)威地位，后人曾長期奉為信條。20世紀(jì)，T·卡門在總結(jié)空氣動力學(xué)的發(fā)展時曾風(fēng)趣地說，牛頓使飛機晚一個世紀(jì)上天。         關(guān)于聲的速度，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。但由于他把聲傳播當(dāng)作等溫過程，結(jié)果與實際不符，后來P.-S.拉普拉斯從絕熱過程考慮，修正了牛頓的聲速公式。          數(shù)學(xué)方面的貢獻        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。牛頓利用它還發(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”。        牛頓在前人工作的基礎(chǔ)上，提出“流數(shù)(fluxion)法”，建立了二項式定理，并和G.W.萊布尼茨幾乎同時創(chuàng)立了微積分學(xué)，得出了導(dǎo)數(shù)、積分的概念和運算法則，闡明了求導(dǎo)數(shù)和求積分是互逆的兩種運算，為數(shù)學(xué)的發(fā)展開辟了一個新紀(jì)元。        光學(xué)方面的貢獻        牛頓曾致力于顏色的現(xiàn)象和光的本性的研究。1666年，他用三棱鏡研究日光，得出結(jié)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??；紫光波長最短，折射率最大。牛頓的這一重要發(fā)現(xiàn)成為光譜分析的基礎(chǔ)，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。后人把這一現(xiàn)象稱為“牛頓環(huán)”。他創(chuàng)立了光的“微粒說”，從一個側(cè)面反映了光的運動性質(zhì)，但牛頓對光的“波動說”并不持反對態(tài)度。1704年，他出版了《光學(xué)》一書，系統(tǒng)闡述他在光學(xué)方面的研究成果。         熱學(xué)方面的貢獻        牛頓確定了冷卻定律，即當(dāng)物體表面與周圍有溫差時，單位時間內(nèi)從單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。          天文學(xué)方面的貢獻        牛頓1672年創(chuàng)制了反射望遠鏡。他用質(zhì)點間的萬有引力證明，密度呈球?qū)ΨQ的球體對外的引力都可以用同質(zhì)量的質(zhì)點放在中心的位置來代替。他還用萬有引力原理說明潮汐的各種現(xiàn)象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有關(guān)，而且同太陽的方位有關(guān)。牛頓預(yù)言地球不是正球體。歲差就是由于太陽對赤道突出部分的攝動造成的。          哲學(xué)方面的貢獻       牛頓的哲學(xué)思想基本屬于自發(fā)的唯物主義，他承認時間、空間的客觀存在。如同歷史上一切偉大人物一樣，牛頓雖然對人類作出了巨大的貢獻，但他也不能不受時代的限制。例如，他把時間、空間看作是同運動著的物質(zhì)相脫離的東西，提出了所謂絕對時間和絕對空間的概念；他對那些暫時無法解釋的自然現(xiàn)象歸結(jié)為上帝的安排，提出一切行星都是在某種外來的“第一推動力”作用下才開始運動的說法。       《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》牛頓最重要的著作，1687年出版。該書總結(jié)了他一生中許多重要發(fā)現(xiàn)和研究成果，其中包括上述關(guān)于物體運動的定律。他說，該書“所研究的主要是關(guān)于重、輕流體抵抗力及其他吸引運動的力的狀況，所以我們研究的是自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。”該書傳入中國后，中國數(shù)學(xué)家李善蘭曾譯出一部分，但未出版，譯稿也遺失了。現(xiàn)有的中譯本是數(shù)學(xué)家鄭太樸翻譯的，書名為《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，1931年商務(wù)印書館初版，1957、1958年兩次重印。       牛頓對自然的興趣       由于牛頓在劍橋受到數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的熏陶和培養(yǎng)，對探索自然現(xiàn)象產(chǎn)生極為濃厚的興趣。就在1665～1666年這兩年之內(nèi)，他在自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)思潮奔騰，才華迸發(fā)，思考前人從未思考過的問題，踏進前人沒有涉及的領(lǐng)域，創(chuàng)建前所未有的驚人業(yè)績。1665年初他創(chuàng)立級數(shù)近似法以及把任何冪的二項式化為一個級數(shù)的規(guī)則。同年11月，創(chuàng)立正流數(shù)法（微分）；次年1月，研究顏色理論；5月，開始研究反流數(shù)法（積分）。這一年內(nèi)，牛頓還開始想到研究重力問題，并想把重力理論推廣到月球的運行軌道上去。他還從開普勒定律中推導(dǎo)出使行星保持在它們軌道上的力必定與它們到旋轉(zhuǎn)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，說的也是在此時發(fā)生的軼事。總之，在家鄉(xiāng)居住的這兩年中，牛頓以比此后任何時候更為旺盛的精力從事科學(xué)創(chuàng)造，并關(guān)心自然哲學(xué)問題。由此可見，牛頓一生的重大科學(xué)思想是在他青春年華、思想敏銳短短兩年期間孕育、萌發(fā)和形成的。       1667年牛頓重返劍橋大學(xué)，10月1日被選為三一學(xué)院的仲院侶，次年3月16日選為正院侶。當(dāng)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(dān)任盧卡斯講座的教授。牛頓把他的光學(xué)講稿(1670～1672)、算術(shù)和代數(shù)講稿(1673～1683)《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（以下簡稱《原理》）的第一部分(1684～1685)，還有《宇宙體系》(1687)等手稿送到劍橋大學(xué)圖書館收藏。1672年起他被接納為皇家學(xué)會會員，1703年被選為皇家學(xué)會主席直到逝世。其間牛頓和國內(nèi)外科學(xué)家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E.哈雷、胡克、C.惠更斯、G.W.F.von萊布尼茲和J.沃利斯等。牛頓在寫作《原理》之后，厭倦大學(xué)教授生活，他得到在大學(xué)學(xué)生時代結(jié)識的一位貴族后裔C.蒙塔古的幫助，于1696年謀得造幣廠監(jiān)督職位，1699年升任廠長，1701年辭去劍橋大學(xué)工作。當(dāng)時英國幣制混亂，牛頓運用他的冶金知識，制造新幣。因改革幣制有功，1705年受封為爵士。晚年研究宗教，著有《圣經(jīng)里兩大錯訛的歷史考證》等文。牛頓于1727年3月31日（儒略歷20日）在倫敦郊區(qū)肯辛頓寓中逝世，以國葬禮葬于倫敦威斯敏斯特教堂。       《光學(xué)》和反射式望遠鏡的發(fā)明，光學(xué)和力學(xué)一樣，在古希臘時代就受到注意。用于天文觀測的需要，光學(xué)儀器的制作很早就得到了發(fā)展，光的反射定律早在歐幾里得時代已經(jīng)聞名，但折射定律直到牛頓出生之前不久才為荷蘭科學(xué)家W.斯涅耳所發(fā)現(xiàn)。玻璃的制作早已從阿拉伯輾轉(zhuǎn)傳入西歐。16世紀(jì)荷蘭磨制透鏡的手工業(yè)大興。把透鏡適當(dāng)組合成一個系統(tǒng)就可成為顯微鏡或望遠鏡。這兩種儀器的發(fā)明對科學(xué)發(fā)展起了重大作用。在牛頓之前，伽利略首先把他所制作的望遠鏡用在天象觀測上。枷利略式的望遠鏡是以一片會聚透鏡為目鏡、一片發(fā)散透鏡為物鏡的望遠鏡。還有當(dāng)時盛行的由兩片會聚透鏡組成的開普勒望遠鏡。兩種望遠鏡都無法消除物鏡的色散。牛頓發(fā)明以金屬磨成的反射鏡代替會聚透鏡作為物鏡，這樣就避免了物鏡的色散。當(dāng)時牛頓制成的望遠鏡長6英寸，直徑1英寸，放大率為30～40倍。經(jīng)過改進，1671年他制作了第二架更大的反射式望遠鏡，并送到皇家學(xué)會評審。這臺望遠鏡被皇家學(xué)會作為珍貴科學(xué)文物收藏起來。為了制造反射式望遠鏡，牛頓親自冶煉合金和研磨鏡面。牛頓自幼愛好動手制模型，做試驗，這對他在光學(xué)實驗上的成功有極大幫助。光的顏色問題早在公元前就有人在作猜測，把虹的光色和玻璃片的邊緣形成的顏色聯(lián)系起來。從亞里士多德以來到笛卡兒都認為白光是純潔的、均勻的，是光的本質(zhì)，而色光只是光的變種。他們都沒像牛頓那樣認真做過實驗

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