站在巨人肩上的牛顿

　　在物理学史中最伟大的名字之一是伊萨克•牛顿。牛顿出生于英格兰的伍尔索普农庄，出生日正是伽利略去世那年（1642年）的圣诞节。1661年，牛顿进入剑桥三一学院，在那里学习数学和物理。1665年，学院因鼠疫流行而暂时关闭，于是牛顿回到伍尔索普，在接下来的两年中，他作出了两项巨大的力学发现，即运动定律和引力理论。也是在这两年中，牛顿还独立地发明了微积分。此外，牛顿在光学领域也做出了突出的贡献，他不仅解释了棱镜从太阳光产生色谱的原因，而且还发明了反射式望远镜。所有这些成就中的任何一项都足以确立牛顿在科学史上的重要地位，但牛顿却使这些成就都集于了他一人。

微积分的发明

　　没有微积分就没有现代物理学和数学，微积分使数学的势力延伸到了连续变化的物理过程领域中。牛顿认识到，若要计算出地球与月球间的引力，不仅要有明确的力学观念，还要有微积分这一合适的数学工具。牛顿以前的数学家为了求得圆形与椭圆形的部分面积，作出了许多尝试，但均不成功。在牛顿试图解决这个问题时，它已算是数学家所公认的难题中的难题。令人惊讶的是，牛顿运用他独立研究而发明的微积分解决了这个难题。有了牛顿发明的微积分和他所发现的运动定律，人们便能够对受非连续的变力作用而进行变速运动的物理系统进行分析了，如这时对做简谐振动的重物--弹簧系统的研究已变得极为简单了。运用他的微积分，牛顿最终证明的具体问题之一即是：两个球体之间的引力与它们中心之间的距离有关。这使得他最终发现了万有引力定律。牛顿之后，力学已不再局限于伽利略设立理想模型的方法范围内了，原因就是有了微积分。

创立力学理论

　　自行星运动的正圆轨道被打破后，天文学家开始关注这样的问题：行星为什么总是绕太阳做封闭曲线运动，而不是做直线运动呢？亚里士多德认为力是产生运动的原因，对于互不接触的天体来说，当然不会有力的作用。伽利略虽认为力是改变运动的原因而不是产生运动的原因，但他的视野还仅限在地面的物体上。直到开普勒提出天体运动的椭圆概念后，各国的自然科学家才对支配天体运动的力的问题有了更多的思考。1645年，法国天文学家布里阿德提出太阳对行星的作用力同太阳与行星之间的距离平方成反比。1666年，意大利的波列利在研究行星与木星的运动时发现：这些星体之间有一种相互吸引的力，其大小与距离成反比。1673年，荷兰的惠更斯在研究摆 这个公式同开普勒第三定律结合起来就会推导出向心力同距离平方成反比的结论。和牛顿同时代的英国科学家胡克认为，物体的重力就是地球对它的引力。1680年初，他又明确提出引力同距离平方成反比的思想，但由于他缺乏牛顿那样的数学才能，所以没能明确提出万有引力的公式。

　　正是这个时候，牛顿出现了。他总结了前人的研究成果，提出了万有引力理论，成功地解释了天体现象。牛顿不仅证明了引力作用的普遍性，而且运用他的数学才能找出了引力作用的数量关系，提出了万有引力的数学公式，这是牛顿对人类科学知识的巨大贡献。牛顿在力学中做出的另一项重要成就是提出了力学三定律，力学三定律正确地反映了地面上物体机械运动的规律，是对以往力学发展成果的一项总结。牛顿的整个力学理论对科学和哲学的发展均产生了很大的影响。

光学发明与发现

　　在剑桥大学做数学教授的20年时间里，牛顿将更多的注意力从力学领域转移到了对光的研究上。他成功地发明了能消除色差（色差的存在使得望远镜的透镜周围出现杂乱的彩色光轮）的反射式望远镜，这使得天文学家拥有了最有价值的观测工具。在今天所使用的几乎所有重要的望远镜包括哈勃太空望远镜都是反射式望远镜。1671年，牛顿因向皇家学会提交了他的反射式望远镜而当选为学会会员。这台望远镜筒长6英寸，可以放大38倍，而当时2英尺长的折射式望远镜只能放大13至14倍。牛顿对透镜的研究和对光的色彩的分析是他对光学的重要贡献。他发表了其中的一些发现，但这些发现受到了激烈的批评。他的主要批评者争论说，他虽然对光的现象作出了一些有趣的发现，但并没有解决光到底是什么这一根本问题。然而，牛顿却认为，在人们希望能解释光是什么之前必须尽可能多地了解光的特性和现象。

　　牛顿把物体的机械运动同光的传播作了比较，发现二者十分相似，所以他认为光是一种粒子流。牛顿坚持光的微粒说而反对惠更斯的波动说。牛顿认为，如果光是以波动的形式传播，那也应当像声音一样，能绕过障碍，可是人们只能听到山那边的炮声，却看不到山那边的大炮，所以光不是以波动的形式在空中传播的。现在我们知道，由于光的波长极短，在较大障碍的前面根本表现出波动的特性。

牛顿的科学研究方法

　　高等数学与物理学的结合，使物理学研究更趋于精确化，牛顿的这种方法在使物理学定量化方面显示出了巨大的力量。此外，牛顿打破了在科学研究中仅运用抽象的、纯思辨方法的模式，而指出了一种将巧妙实验与理论分析结合在一起的新方法。同伽利略与弗兰西斯•培根一样，牛顿也极为强调观察和实验的重要性。他认为，只有用观察和实验来建立关于自然的一些普遍的法则和一般的规律，人们才能得知事物的原因和结果。牛顿强调实验的作用，认为实验能作出判断，根据实验结果人们才可以知道物体的属性。在他所做的力学研究中，牛顿也已采用了思想实验的研究方法，如他为了解决引力问题所设想的炮弹绕地球飞行的思想实验即属其中一种。

　　关于假说，牛顿曾下过“不杜撰假说”的结论，这主要是因为牛顿认为假说只能说明而不能决定事物的属性，人们不能仅用假说来猜测真理。所以，牛顿认为假说不具有实验在科学中所具有的地位。但牛顿并不完全否认假说在科学研究中的作用，他本人实际上也曾采用过假说，他所要力戒的是以假说形式出现的主观臆断和随意猜测。

今天，我们从事科学研究的活动在很大程度上是以牛顿的成就为基础的。但牛顿却认为自己之所以取得这些科学上的成就是因为他站在巨人肩上的缘故。牛顿生前被英国皇室封为爵士，去世后被安葬在威斯敏斯特教堂（又称西敏寺），英国人民给予了他极高的荣誉。