牛頓對人類的貢獻(xiàn)

【專家解說】：牛頓 Isaac Newton (1642～1727) 偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家。 生平 1642年12月25日(新歷1643年1月4日)生于林肯郡的一個(gè)農(nóng)村家庭。1661年進(jìn)劍橋大學(xué)三一學(xué)院學(xué)數(shù)學(xué),1665年畢業(yè),獲學(xué)士學(xué)位。1667年進(jìn)三一學(xué)院當(dāng)研究生，次年獲碩士學(xué)位。1669年，牛頓受l.巴羅博士推舉而繼承他的數(shù)學(xué)教授職位。1689和1701年牛頓兩次作為劍橋大學(xué)代表被選入議會(huì)。1696年受聘擔(dān)任造幣廠監(jiān)督。1703年起任英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)長。牛頓一生未婚。1727年3月20日（新歷3月31日）因腎結(jié)石癥在倫敦逝世。為了頌揚(yáng)這位偉大的學(xué)者,當(dāng)時(shí)英國著名詩人A.波普(1688～1744)為牛頓寫了一個(gè)碑銘,鑲嵌在牛頓出生的房屋墻壁上，大意是“道法自然，久藏玄冥；天降牛頓，萬物生明”。 力學(xué)方面的貢獻(xiàn) 牛頓在伽利略等人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，總結(jié)出了物體運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本定律：①任何物體在不受外力或所受外力的合力為零時(shí)，保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，即原來靜止的繼續(xù)靜止，原來運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)作勻速直線運(yùn)動(dòng)。②任何物體在外力作用下，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，其動(dòng)量隨時(shí)間的變化率與所受的合外力成正比。通常可表述為：物體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(gè)作用力時(shí)，物體乙必然同時(shí)給物體甲一個(gè)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(gè)非常簡單的物體運(yùn)動(dòng)定律，為力學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)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(jìn)，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(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)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(rèn)識(shí)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。現(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(shí)，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(gè)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.von卡門在總結(jié)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展時(shí)曾風(fēng)趣地說，牛頓使飛機(jī)晚一個(gè)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(shí)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。 其他方面的貢獻(xiàn) 主要有以下四個(gè)方面： ①數(shù)學(xué)方面 牛頓在前人工作的基礎(chǔ)上，提出“流數(shù)(fluxion)法”,建立了二項(xiàng)式定理，并和G.W.萊布尼茲幾乎同時(shí)創(chuàng)立了微積分學(xué)，得出了導(dǎo)數(shù)、積分的概念和運(yùn)算法則，闡明了求導(dǎo)數(shù)和求積分是互逆的兩種運(yùn)算，為數(shù)學(xué)的發(fā)展開辟了一個(gè)新紀(jì)元。 ②光學(xué)方面 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,折射率最小;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(gè)磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面，壓在一個(gè)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(diǎn)是一個(gè)暗點(diǎn)，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(gè)側(cè)面反映了光的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，但牛頓對光的“波動(dòng)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。 ③熱學(xué)方面 牛頓確定了冷卻定律，即當(dāng)物體表面與周圍有溫差時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。 ④天文學(xué)方面 牛頓1672年創(chuàng)制了反射望遠(yuǎn)鏡。他用質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)造成的。 牛頓的哲學(xué)思想基本屬于自發(fā)的唯物主義，他承認(rèn)時(shí)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(xiàn)，但他也不能不受時(shí)代的限制。例如，他把時(shí)間、空間看作是同運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)相脫離的東西，提出了所謂絕對時(shí)間和絕對空間的概念；他對那些暫時(shí)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(dòng)力”作用下才開始運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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?！痹摃鴤魅胫袊螅袊鴶?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。