細說牛頓封神之作《原理》的故事,感受天才的智慧

2021-01-11 速度科學

大家好我是你們的老朋友憨憨,為了展現科學的魅力,以後的每一天我都將為大家放送最幹的貨,希望你們會喜歡。偉大的物理學家伽利略認為,沒有力作用的勻速運動只適用於平行於地球表面的運動,即圍繞地心的圓周運動。牛頓糾正了這一點,認為使物體偏離直線上的恆定速度需要力。需要多大的力呢?物體的質量越大,需要加速的力應該更大。牛頓推測,所需的力應等於物體的質量乘以力所產生的加速度,即f=ma。這就是牛頓的運動普適定律。但是在牛頓所處的時代,似乎有一個反例:下落呈加速過程,但卻看不見產生影響的力。年輕的牛頓曾同時設想出兩個思想深刻的概念:以他名字命名的運動定律和萬有引力。當瘟疫消退,牛頓回到劍橋。

當時的盧卡斯數學教授艾薩克·巴羅很快就對他的這位曾經的學生留下深刻印象,他決定辭去盧卡斯講席教職,讓牛頓來當。於是這個安靜的男孩變成了一個深居簡出的單身漢,因為在當時,獨自一人這種奇怪的要求是劍橋大學對教師提出來的。牛頓是個沉默寡言和鬱鬱寡歡的人,往往對善意的批評感到憤怒。他寧願花整晚的時間閱讀伽利略的著作。牛頓的想法需要檢驗。然而在地球上,可以移動的物體之間的萬有引力太小,使他無法測量,於是他將視線移向天空。他用他的運動方程和萬有引力定律推導出一個簡單的公式。但當他看著這個公式時,一股寒意不經意間流過脊背,他的這個公式正是克卜勒在幾十年前給出的每個行星繞日運動的確切時間的那個未經解釋的公式。

牛頓用這個公式還可以計算出月球軌道周期是27天,這與你讓一個自由落體獲得每秒10米的加速度時所得到的期望值是一樣的,伽利略已通過實驗證明了自由落體的這種加速度。也就是說,牛頓的運動公式和支配蘋果落地的萬有引力同樣適用於月球。這些公式是在地球上得到的,但它們適用於天體。牛頓的方程是普適的。牛頓意識到他的發現的意義,但他寫的第一篇論文所引起的爭議令他心煩,因此現在提出要將這套理論出版,這簡直讓他恐懼。大約在他回到農場的二十年後,有一天,年輕的天文學家埃德蒙·哈雷訪問了牛頓。哈雷知道當時其他人也正在猜測產生克卜勒的行星橢圓軌道的引力公式的形式,便問牛頓,他的萬有引力定律所預言的是什麼軌道。

牛頓立即回答說:「橢圓。」這種快速反應令哈雷印象深刻,於是他要求看看牛頓的計算。但牛頓找不到他的論文,一位歷史學家指出:「當其他人還在尋求萬有引力定律的具體形式時,牛頓已經弄丟了它。」哈雷提醒牛頓,別人可能搶在他前面發表這一結果,於是牛頓趕忙花了18個月的時間一口氣寫成了《自然哲學的數學原理》一書。我們現在讀到的《原理》是在哈雷的資助下於1687年出版的。牛頓對批評的恐懼變得現實起來,有人甚至聲稱,他偷了他們的成果。雖然人們廣泛認識到,《原理》揭示了自然規律的深刻性質,具有數學上的嚴謹性,但也正是這種數學上的特點和拉丁文敘述,使得這部著作很少有人能夠讀懂。

但普及版很快面世,《女士版牛頓原理》更是成為了暢銷書。伏爾泰在比他更具科學素養的情侶夏特萊侯爵夫人的幫助下寫了一本《牛頓理論精要》,在書中他聲稱「已經將這部巨著簡化到讓你我這樣的普通人讀得懂的程度」。揭示自然的理性的做法是革命性的。它意味著,世界至少在原則上,應該像鐘錶機械那樣是可以理解的。這種時鐘特徵在後來的哈雷對彗星回歸的準確預測上得到了充分體現。直到那時,在古代人們的心目中,一直普遍認為彗星的出現預示著國王的死亡。《原理》引發了稱為啟蒙運動的崇尚知識熱潮。整個社會不再到古希臘的黃金時代去尋求智慧。

亞歷山大·波普爾準確描繪了這種心態:「自然和自然法在夜間隱去。上帝說:讓牛頓來!於是一切都變得明亮起來。」當時他需要更好的數學方法,為此牛頓發明了微積分。他對光的研究改變了光學領域的面貌。他獲得了議會的席位,並作為劍橋大學的代表留在議會裡。他成了造幣廠主管,並認真履行職責。在他的晚年,艾薩克爵士是被授予爵位的第一位科學家,成為也許是當時西方世界中最受尊敬的人。奇怪的是,牛頓還是一個神秘主義者,曾沉溺於超自然的鍊金術和對《聖經》預言的解釋。那麼我們今天的文章到這裡就結束了,如果你喜歡憨憨的文章,那就點讚關注憨憨吧。以後的文章我們還會為大家持續帶來一些乾貨,記得關注憨憨哦!

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  • 蘋果落地與牛頓萬有引力,讀《自然哲學之數學原理》的一點覺悟
    很早/小就聽聞牛頓因被樹上落下的蘋果砸中而發現萬有引力的故事,小學的自然讀物寫萬有引力,中學的物理課本講萬有引力並引入數學公式來分析,及在那之後讀到的各種科普讀物上介紹牛頓和萬有引力,幾乎所有的這些都直接展示萬有引力原理、公式的直觀、正確,以不容置疑的方式來傳遞科學知識,同時彰顯牛頓的天才、偉大、非凡。
  • 英國的天才叫牛頓,德國有個叫愛因斯坦,中國有個天才叫什麼?
    科學天才就是讓人類進入近代化所不可或缺的推動者。和那些身經百戰的將軍,雄才大略的領導者不同,科學天才往往足不出戶就可以對世界產生深遠的影響,改變人類社會的生產技術,和生產力的發展相互促進,可以說隨著技術的發展,科學家的作用也變得越來越重要了。哪個國家如果出現了天才的研究者,就有可能搶佔先機,甚至改變國家的歷史。
  • 牛頓的萬有引力是如何提出的?帶你走進經典原理背後的故事
    在他的《自然哲學的數學原理》中,於1687年首次出版,牛頓提到克里斯多福·雷恩,羅伯特胡克和埃德蒙·哈雷獨立意識到這一點。但相對於其他對這一問題感興趣的人,牛頓手上有幾張王牌。首先,他對如何將力學問題簡化為應用一組簡單的動力學原理有了更清晰的概念。現在我們稱這些原理為「牛頓運動定律」,儘管牛頓並不是從零開始發明它們的(他也沒有聲稱自己是這麼做的)。
  • 科學封神榜系列之一一真實的上帝:牛頓
    這個重要的轉折點就是牛頓的那篇大作:《自然哲學之數學原理》。《自然哲學之數學原理》1687年,牛頓出版了這本700多頁的巨作,從此經典力學建立,物理學誕生,近代自然科學誕生。這本書到底是什麼東西?直到牛頓這個時候,依舊沒有科學這門學科。所以你看這本書的名字是什麼?《自然哲學之數學原理》,並不是叫做科學。事實上,牛頓在當時研究的正是自然哲學。有些人看到這本書的名字,感覺無法把它和科學聯繫起來。這本書名字中有哲學,有數學,卻單單沒有科學。殊不知,那傳說中的牛頓三定律就在這本書之中。
  • 蘋果樹下的牛頓,一位從「笨蛋」到「天才」的科學家
    在麥可·懷特所著的《100位傑出人物》一書中,艾薩克·牛頓(1642~1727年)被列為最具影響力人物之第二,排在穆罕默德之後,耶穌基督之前。但小時候的牛頓,卻是同學們眼中的「小笨蛋」。但牛頓並沒有放棄對真理的追求,在此後兩年裡,繼續在家中研究微積分學、光學和萬有引力定律。1687年,牛頓發表了《自然哲學的數學原理》一書,並在其中對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這部作品是第一次科學革命的集大成之作,它在物理學、數學、天文學和哲學等領域產生了巨大影響,奠定了此後三個世紀裡物理世界的科學觀點,並成為了現代工程學的基礎。
  • 牛頓——人類之光
    艾薩克·牛頓,一位偉大的科學家,他與蘋果的故事幾乎成為了全球兒童科學啟蒙的經典。我小時候,就是聽著這個故事長大的,同時開始了對世界和科學的探索與學習。隨著年歲漸長,牛頓這兩個字的含義在我腦海中也日漸豐滿。
  • 牛頓和他的《數學原理》
    我想作者把牛頓排在第二位,如果有什麼異議,那也是為什麼不把他排在第一位。17世紀是人類科學發展史上井噴的年代,前有哥白尼,布魯諾,伽利略,後有克卜勒,培根,笛卡爾。新興資本主義開始萌芽,追求科學真理的理念也漸漸深入人心。在17世紀中期,即1643年,伽利略帶著他未出版的《關於世界兩大體系的對話》,在軟禁的鄉間別墅中去世了。一個天才墜落了,另一個天才艾薩克·牛頓降生了。
  • 12本足以封神的經典小說,每一本都是巔峰之作,千萬讀者口碑認證
    12本足以封神的經典小說,每一本都是巔峰之作,千萬讀者口碑認證1.《超神機械師》齊佩甲 448萬字一本讓人眼前一亮的遊戲異界文,大致講述了一個遊戲高手穿越到曾經的遊戲世界後,由一個NPC成長為世界boss的故事。如果不是玩家的出現,那麼這可能就是一本正經嚴肅的穿越異界題材小說。目前作者以成功封神。2.
  • 未出生父親便亡故,母親棄他再嫁,自學成才科學家牛頓的天才之路
    其實那棵蘋果樹和牛頓毫無關係,就連蘋果砸在牛頓頭上引出萬有引力也純屬編撰出來的勵志小故事。劍橋大學,這所孕育無數科學家的搖籃,移植過來這麼一棵小蘋果樹也是費盡苦心,小小蘋果樹在碧綠的草坪上特別顯眼,這是一種極顯赫極尊榮的標誌,標誌牛頓在科學界獨一無二的成就地位,也標誌著牛頓是我們劍橋大學的先輩,更標誌著一種永垂不朽的牛頓科學精神。
  • 偉大科學家牛頓的30條智慧名言,至今依然散發著真理的光芒
    291前的今天,也就是1727年3月31日,人類偉大的物理學家牛頓去世了。這位研究宇宙、上帝奧秘的天才科學家,正如伏爾泰所說:「將世界上的一切天才放在一起,牛頓也是其中的佼佼者。」並稱他的工作把人類思想史提高到了「從未達到的最大膽的境界」。
  • 世界各個國家的天才:英國是牛頓德國是愛因斯坦,那中國呢?
    節日期間,6歲的侄子有一個假期作業是講故事,錄製一段自己講故事的視頻發到班級的群裡。侄子指定讓我給他講一個沒有聽過的故事,我的腦海裡瞬間冒出了牛頓和蘋果的故事。 本來是想藉助這個故事引導侄子養成勤於觀察,善於動腦的習慣,但我卻被侄子的一個問題問住了。中國有沒有偉大的科學家呢?
  • 瘟疫之年的牛頓:「蘋果神話」是真的嗎
    那麼,這個故事最初是出自誰人之口呢?「蘋果神話」的來源,目前來看有四個:第一個來源是老年牛頓在18世紀20年代自己說的。他在去世之前的七八年間寫了一份東西,跟人說1665年、1666年這兩年是他一輩子發明最旺盛的時期,其中有一項發明就是他思考了重力延伸到月球軌道這個問題。
  • 牛頓被蘋果砸的故事到底是真是假?
    一起來看看牛頓和蘋果的不解之緣。牛頓與蘋果的故事(圖1)大家耳熟能詳。英國紀念牛頓《自然哲學的數學原理》300 周年文集的封面用的就是一個蘋果。牛頓家鄉的蘋果樹還被移栽到世界各地的許多著名學術機構。[1]伏爾泰的故事來自牛頓的外甥女凱薩琳·康迪特(Catherine Conduit),牛頓同母異父的妹妹漢娜·斯密思(Hanna Smith)之女。她的丈夫約翰·康迪特(John Conduit,1688—1737)是牛頓在皇家造幣廠的助手,並在牛頓去世後繼任了造幣廠廠長。夫婦倆後來都安葬在西敏寺牛頓墓的旁邊。
  • 牛頓——人類史上最偉大的科學家之一,絕無僅有的百科全書式天才
    艾薩克·牛頓,英國皇家學會會長,英國著名的物理學家、數學家、天文學家和自然哲學家!高等數學的奠基人,萬有引力的發現者,經典力學的開創者。他的研究涉及物理、化學、天文、地理、哲學、經濟和藝術,所學包括飛機製造、船舶設計、火箭飛彈、現代建築等眾多領域,是迄今為止人類歷史上絕無僅有的「百科全書」式天才。
  • 瘟疫之年的牛頓:「蘋果神話」是真的嗎—新聞—科學網
    劍橋學生牛頓因此回到老家伍爾索普莊園,「居家隔離」了一年半左右。傳說正是在此期間,牛頓被自家院子裡的一顆蘋果砸中了腦袋,引發了他的思考,由此發現了萬有引力定律。這就是著名的「蘋果神話」。 然而,事實真是如此嗎?4月16日,在「人文清華雲講壇」直播中,清華大學科學史系教授吳國盛講述了故事的另一個版本。
  • 話說世界系列:有史以來最偉大的天才 | 牛頓
    本文已經獲得話說世界公號授權發布本內容由人民出版社出版《話說世界》20卷叢書2003年,牛頓在英國廣播公司舉行的全球性評選最偉大的英國人活動當中,被評為最偉大的英國人之首。大科學家牛頓是真正的百科全書式的人物,是震古爍今的科學巨人。
  • 世界各國的天才,英國有牛頓,德國有愛因斯坦,那中國有誰呢?
    科學家和天才都很多,但要做到在世界範圍內具有廣泛的知名度也不是很容易,因為這類人往往都是鳳毛麟角。而世界各國的天才中,英國有牛頓,德國有愛因斯坦,那麼中國的代表是誰?不用擔心,我們有他。大家對牛頓肯定是不陌生的,我們有時候在外面看到蘋果樹時,腦海中也偶爾會想起牛頓的故事,另外在高中的物理課本上,也可以看到牛頓的名字。
  • 鍊金、議員、手工藝人,揭秘天才科學家牛頓那些不為人知的身份
    市面上有很多關於牛頓的傳說,基本上都是無限拔高了牛頓的形象,而且只講他偉光正的一面。但牛頓畢竟還是人,只要是人,就會有人性的那些缺點。全球知名科學教師組織NSTA重點推薦了《牛頓的物理學世界》,有助於我們全面了解牛頓這個偉大的天才科學家。
  • 牛頓的《光學》對於後來的科學研究者影響之大超乎人們的想像
    在全書末尾,牛頓專門論述了自然哲學的兩種研究方法:分析法和綜合法。與《原理》相比,《光學》更偏重於分析,牛頓有時把光學歸於「實驗哲學」。牛頓指出,對於困難的研究課題,「總是應當先用分析法,然後才用綜合法」。分析的方法「包括做實驗和觀察,用歸納法從中作出普遍的結論」;用分析法論證,「一般總是從結果到原因,從特殊原因到普遍原因,一直論證到普遍的原因為止」。
  • 牛頓和愛因斯坦:沒被課本收錄的4段歷史,才是天才真正的樣子
    可月亮的另一面,往往並不為人所知,比如牛頓和愛因斯坦,這兩位被視作天才神話的科學家,關於他們在課本裡廣為流傳的人生故事,有4段歷史儘管沒有被收錄,卻更加還原了這些天才科學家的真實成長:靈感、機遇和偶然,並不能簡化科學發現的曲折歷程。今天讓我們拿起歷史的卸妝油,洗去他們的「偶像包袱」,一探歷史究竟。