牛頓是個遺腹子,母親在他4歲時改嫁,他跟年邁的外婆一起生活
從「真理的海洋」中淘出的珍珠
牛頓創立經典力學體系
伊薩克·牛頓(1642-1727年)在許多科學領域都取得了很高的成就,但最偉大、也最廣為人知的成就,無疑是其創立的經典力學體系。他曾謙虛地把自己比作在真理的大海邊拾貝亮石子的頑童,那麼,經典力學就是他從這片海洋中撈出的許許多多珍珠裡最閃亮的一顆。
牛頓出生於英國東南部的一個小村子裡,是個遺腹子,父親在他出生之前兩個月就去世了。母親漢娜辛辛苦苦將他撫育到4歲,經人說媒改嫁了,小牛頓只能跟年邁的外婆一起生活。就是這個性情孤僻、毫不起眼的小孩,日後成為了英國、乃至世界歷史上最偉大的一位科學家,在力學、光學、數學、天文學等諸多領域都取得了傑出的成就。
成長中的牛頓
小時候,也許是家庭背景的原因,牛頓常常是耐著寂寞一個人玩、一個人想,漸漸地養成了沉默寡言、膽小顧腆的性格。他不喜歡跟別的孩子一起玩要,也很少有笑容。到了6歲,雖然進了學校,脾氣卻沒什麼改變。上課時心不在焉,下課又不跟人交朋友,於是老師和同學們把他看作「遲鈍的呆子」。
小牛頓並不遲鈍他很喜歡動手做木工活,也愛思考一些自然現象,只是不太合群而已。他12歲那年,進入鎮子上的中學讀書,情況開始好轉,學習很用功,跟別人的交流多了,成績也越來越好。
學習之餘,牛頓繼續保持著對手工製作的濃厚興趣。有一次,鎮子郊外安裝了一架風車,牛頓大清早就跑去參觀,回來之後自己也動手做了一個小風車。動力從何而來呢?牛頓就把房東女兒養的小白鼠放在裡面,老鼠不停地跑,它便不停地轉,這個精巧的小玩具引起了大家的交口稱讚。後來牛頓又做出了相當精準的時鐘,頓時成為了小鎮上的名人。
15歲時,牛頓的繼父去世媽媽叫他回去務農。牛頓雖然回去了,精神上卻並不情願。好在中學校長和他的舅舅出面勸說,牛頓這才得以重返學校。他很珍惜這個機會,19歲時考入劍橋大學三一學院,這成為了他一生的轉折點。
大三那年(1664年),牛頓有幸碰到一位伯樂。那是一位擔任「魯卡斯數學講座的教授,名叫巴羅,他發現了牛頓的天才,慷慨地把自己畢生所學傾囊相授。這位教授講課很有特點,不僅講授自己的觀點,還介紹別人的各種假說,以啟發學生思考;他還經常鼓勵學生尋找舊理論的漏洞,然後推翻它,自己去創立新的理論。巴羅的這些教誨,對牛頓有著重要的啟迪作用。1664年,牛頓在一本題為《一些哲學問題》的筆記本中寫道:「柏拉圖是我的朋友,亞里斯多德是我的朋友,但我最好的朋友是真理。」後來的事實證明,牛頓的確走上了探索真理、發展真理的道路。
蘋果與萬有引力
1665年,倫敦爆發大規模瘟疫,劍橋大學被迫停課,疏散師生。牛頓帶著他還沒解決的一些問題回到了家鄉。母親和三個弟弟妹妹親切地歡迎了他,把樓上的一間小屋騰出來給他住。就是這片與世隔絕的小天地和這段淡泊寧靜的生活,莫定了他日後生科學事業的基礎。他在微積分和光學等問題上都取得了突破,但最令人感興趣的還是那顆著名的蘋果。
相傳,166年秋季的一天,牛頓正坐在自家的蘋果樹下思考個複雜的力學問題,忽然有個熟透的蘋果落在了他的面前。這個尋常小事忽然啟發了他的思路——蘋果為什麼向下落而不是向上飛?自然是因為地球在吸引這種力是否廣泛存在於宇宙之間?顯然也應如此。那麼,這種力應當如何計算?在這種力的作用下,物體又是如何運行的呢?帶著這些問題重返劍橋之後,牛頓進行了艱苦的思考和計算。經過對前人工作的認真總結,加上自己的天才創見,牛頓初步得出了自己的結論—地球吸引蘋果落地的重力與吸引月球的引力是同一種力,即萬有引力;是萬有引力使行星不斷圍繞太陽運動;在萬有引力的作用下,行星圍繞太陽的軌道必然呈橢圓形。
不過,牛頓是一個嚴謹的人,在自覺完美無缺之前,他一直把自己的計算結果鎖在抽屜裡,從未當時,還有三位英國科學家在研究行星的軌道問題,分別是雷恩、哈雷和胡克。他們打賭以兩個月為期,看誰先解決這個問題。這個賭局引起了科學界的濃厚興趣,但時間到了,誰也沒能解決。性急的哈雷於是去找牛頓,他直截了當地問道:「先生,當一個行星受到太陽以和距離的平方成反比遞減的引力吸引時,它的運行軌道應是一種什麼樣的曲線?」牛頓毫不遲疑地回答:「橢圓。」哈雷又驚又喜,問牛頓怎樣知道這個結果的。
牛頓簡單地回答:「計算出來的。」顯然,此時他已經很有把握了。1685年,牛頓公布了他證明的行星在太陽引力場作用下會沿橢圓運動下去的結果,同時還證明了廣袤的球體,如地球、太陽等,如果全部質量都集中在球體的中心,其引力保持不變,故可以把天體當作質點看待。牛頓成功地證明了實心球體的引力恰等於球心處一個質點的引力。至此,萬有引力定律完全確立。
論文發表時,距離那個蘋果落下已經過去了近20年,牛頓的嚴謹可見一斑。但是,萬有引力的本質和原因是什麼,牛頓並沒有研究出來。牛頓抱著「知之為知之,不知為不知」的態度,謙遜地寫道:「直到現在,我還未能從現象中發現重力(引力)所以有這些屬性的原因我也不做出任何假設…對我來說能知道重力(引力)確實存在,並且按照我們所以說明的那些定律起著作用,還可以廣泛地用它來解釋天體和海洋的一切運動,就已經足夠了……重力(引力)的原因是什麼,我不能不懂裝懂還需要更多的時間對它進行考慮。這種實事求是的科學態度,是很明智的。