科学界的牛人牛顿2_瓦利天气

科学界的牛人牛顿2

各位老师，大家好！这里是格致教育工作坊，欢迎大家的到来，穿越时空，享受思想的盛宴，让我们一起天天学习，好好向上。今天，我们继续来聊科学界的牛人——牛顿。

今天，我们来聊牛顿这一生当中最重要的两年和他最重要的著作。我们都知道在公元年到年之间，在欧洲发生了一个大规模的鼠疫，死了很多人。当时英国剑桥大学担心鼠疫波及学校，就让学生放假，牛顿就在这段时间里面避居在家乡沃尔斯普。回到家乡之后，牛顿的母亲就把牛顿安置在二楼的一间小屋子里面。在这间小屋子里面，他终日沉浸在当时急待解决的科学问题当中，他的脑子里面充满了从剑桥大学带回来的新科学观念。在暂时与世隔绝的生活当中，任由思想随心所欲地飞翔。在整整两年十八个月当中，他将全部的精力都集中思考他的三大问题：微积分、万有引力和光学理论。后来这三大问题也是牛顿这一生的研究方向。毫无疑问，这对科学的进步产生了巨大的推动力。

牛顿在晚年写回忆录的时候写了这么一段话：年初，我发现近似极数的方法，并得到将任何方式的二项式展开为极数规则。同年5月，发现了如何画曲线的切线，十一月发现了流数术的直接法，这个流数术就是微积分。牛顿把微积分称之为流数术，就是流动的流，数学的数，技术的术。次年的一月，牛顿创立了色彩理论，五月就得到了流数的繁衍法，也就是积分。微积分分为积分和微分这两个方面。两年当中，他就确立了积分与微分的概念，并且列出了积分表，并且把积分称之为流数法的反求法。当时，德国也有位数学家叫莱布茨尼，也独立研究出了微积分，结果谁拥有微积分的创立权就成了科学史界的一个学术公案。事实证明，微积分的创立在数学界乃至在整个科学界，甚至是在整个科学发展史上都有着极其重要的意义。因为这个计算方程式为人们研究变动的数据提供了必备的途径，因而是数学史上面的几个主要的里程碑之一。牛顿在研究流数术的期间，他应用了他的前辈数学家意大利卡瓦利里和德国的开普勒这些人提出来的一些数据概念，并进一步发展了这些概念。正是有了前人的研究，牛顿才得以最终创立微积分学的这种理论。这就是为什么后来牛顿在功成名就的时候，说自己的成功是因为站在巨人的肩膀上面。

牛顿虽然发现了流数术这样一个价值巨大的计算方法，但是他生性谦虚谨慎，他并没有把这个方法公布于世，就连他最亲密的朋友也不知道。直到三十多年之后，牛顿才正式发表了自己的微积分理论。牛顿的老家叫沃尔斯普，这是一个美丽的地方，冥冥之中大自然也在启发着牛顿的创造性思维。那里无时无刻不在流动的小河，散发着新鲜泥土气味的花草树木，每天都让牛顿精神焕发、思维活跃。他早在剑桥大学学习天文学的时候，就已经接受了哥白尼的日心说，也了解到了开普勒和伽利略的学说。牛顿一直都在试图破解行星为什么在自己这个轨道上面自觉运行这个谜。年秋天，当牛顿坐在果园里沉思的时候，一个苹果从树上掉下来，正好落在他的面前。这个苹果就引发了牛顿对地心引力和重力的许多想法。虽然是不是真有一只苹果掉下来，但是在牛顿晚年，他的小侄女的一个回忆当中就说了：他对自己提出了很多问题，为什么苹果会掉到地上？为什么月亮一直绕着地球转而不会掉下来？经过一番激烈的思维论证之后，牛顿得出了进一步的结论：引力必然是随着距离的变化而变化，而且越远越小。紧接着，牛顿又对地心引力的大小和距离的变化关系进行了大量的论证和计算，并深入研究了开普勒的行星运动定律，在他得到了引力与距离的平方成反比的变化规律之后，他又正式定义了他的万有引力定律：即宇宙间任意两个物体之间都是相互吸引的，引力的大小与两个物体的质量乘积成正比，且与他们的距离平方成反比。牛顿之所以要在定律前面冠以“万有”两字，是因为他觉得这条定律适用于宇宙的任何地方。

早在牛顿之前，最初的天文望远镜就已经出现了。最初发明天文望远镜的是伽利略，伽利略发现了木星和木星的卫星。十七世纪的自然科学家对光学也就产生了极大的兴趣，牛顿当然也在其中，他一向是爱好天文学与光学的。在上大学期间，他就仔细观察了月晕，并且在巴罗教授的指导下自学了开普勒的《光学》这本巨著。在家乡那一间几乎是与世隔绝的小房子里面，牛顿进行了有关棱镜的实验。这样一个实验，对于他来说是充满乐趣。在他的日记当中，牛顿这么写到：我把房间弄得一片漆黑，只在百叶窗上面开一个小洞，让适量的阳光照射进来，再把棱镜放在光线进入之处，光线就通过棱镜折射到对面的墙壁上面，我认为这是一件很有意义的事情。通过对光的实验，牛顿惊讶地发现：当太阳光通过棱镜时会发生偏折或者折射，折射出来的光变成一束由各种颜色组成的光带。这种复式光是由单色光按一定比例混合而成的。这样，牛顿就在他的小房间里面的墙上绘制成了世界上第一片光谱。他也由此明白了，当时的折射望远镜成像为什么总是模糊不清。那就是因为有光的色差，可色散。两年以后，牛顿设计并制造了能够消除光的色彩的反射望远镜，为近代天气物理学提供了重要的工具。牛顿在沃尔斯普的这一年半的时间里面，他为自己毕生的科学研究打下了一个雄厚的基础，之后他所需要做的就是在这些发现的基础上面建造起宏伟的科学殿堂。

年，流行于英国的这个鼠疫得到了控制。剑桥大学又复课了，牛顿又回到了三一学院。由于他为人一向是谦虚谨慎，回到剑桥之后，他并没有向任何人提起他在家中的发现。他是以一种科学家的务实的态度来对待科研成果与公开的发表，他认为如果自己把还没有完全把握的东西公布出来，那是没有科学精神的表现。在此后的三十余年里，牛顿就埋头于光学、万有引力和微积分的研究，每一项研究都耗费了他十多年的时间。从年到年期间，他主要的研究项目是光学；从年到年期间，他的主要研究方向是物理学；从年到年期间，他的主要研究方向是天文学和微积分。在每一个领域当中他都有着巨大的贡献，三一学院的校长也十分赏识这位青年才俊，给了他很多的这种优厚条件，让他安心研究。牛顿在获得了选修课研究员资格以后，不久他就被提升为主修课的研究员。这样的话，他就在学院里面有了自己的房子，还有一份可观的薪水，这就可以让他更加专心致志地去研究学问，无所顾忌地迈向更广阔的科学道路。他购置了一大堆的这个实验用品：罗盘、磁铁、玻璃、以及切割金属的各种工具，并打算自制一架反射望远镜。他在他的寓所里面，牛顿自己动手为这个反射望远镜打磨一个金属的凹面镜。经过很多天的努力才磨制成理想中的曲面镜，这个略显粗糙的望远镜加入了他很多的崭新的设计。在制成望远镜的当天晚上，牛顿就用那去观测天象，观测的结果让他无比激动。在他小小的目镜里面，他看到了清晰的影像，耀眼的木星和它的四颗卫星。接着，他还看见了金星的盈亏现象。这些影像一点都没有受到彩色条纹的干扰，就这样牛顿成功地发明了反射望远镜，这也使得他闻名于整个欧洲。年牛顿被推荐为英国皇家学会的会员。一个月之后，牛顿才正式提交了自己的第一篇科学论文《关于光和色的新理论》，这篇论文就论述了他所发现的光谱现象，这对以后的科学领域也产生了巨大的影响。在光学领域当中，牛顿的杰出贡献还有牛顿环的发现、光的微粒说、光学巨著。牛顿写的《光学或光的反射折射弯曲色彩》的论述，你看这本书的题目是这么长，就单单论光学方面的贡献与成就，就足以让牛顿成为科学史上面的一个卓越人物了。

牛顿的成就令人瞩目，但是他的谦虚谨慎也是令人钦佩呀。在当选皇家会员之后，他在给皇家学会的秘书两次回信当中就写到：我将以我微薄之力，促进你们的哲学计划的实现并以此证明我竭诚的谢意。这封信写的是年的1月6号，他还说让我讲解一个我不怀疑并且可以证实的哲学发现，而不是描述那架仪器，这将使我感到更加的荣幸。在我看来，那不是迄今对自然演变所做的最重要的发现，但至少是最有趣的发现。你看，这封信写于年的1月18号。

接下来，我们向各位老师介绍一下牛顿的辉煌巨著《自然哲学的数学原理》产生的背景。在年，牛顿的导师，他最挚爱的朋友，那个巴罗教授去世了，这就让他感觉到痛苦万分，他决心沿着科学研究的道路继续前进，以不辜负巴罗教授对他的殷切期望。我昨天说要对巴罗教授再稍微介绍一下，在牛顿生活的时代，科学家已经发现了是引力让月亮绕着地球旋转，是行星绕太阳旋转，引力的大小有引体的质量和距离决定。但是，在讨论行星轨道椭圆形的问题的时候，却不能通过自然哲学家的数学原理，或者数学数据得到精确的论证。此时的牛顿，他经过不懈的努力在年根据自己总结的万有引力定律，进行了仔细的推算。终于找到了证明行星围绕太阳的轨道与椭圆形的方程式运行的。这个结论与七十年前开普勒的实际观测结果完全吻合。如果，牛顿当时就将这一方程式公布于世的话，那马上就会轰动整个科学界。但是，牛顿仍然按照自己的老习惯，将这一成果束之高阁。直到有一天，年轻的英国天文学家兼物理学家埃蒙德哈雷求助于牛顿的时候，牛顿这才将自己有关万有引力定律以及其他的研究材料送给这个哈雷阅读。哈雷在详细研读了他的计算过程之后，就立刻被牛顿的才华彻底的征服了，认为这是天才的杰作！后来，物体运动论更是令哈雷叹为观止。他向牛顿表示，应该马上将这些成果公开发表。于是，哈雷开始不断地向科学界宣扬牛顿这位只重研究不重荣誉的科学家。可以这么说，哈雷是牛顿的伯乐。

我们回过头来，再来说说牛顿的第一位伯乐巴罗教授。巴罗教授也是非常厉害的，他是英国剑桥大学第一论卢卡斯数学讲座的教授，英国皇家学会的首席会员。当他发现牛顿的杰出才能的时候，就于年辞去了卢卡斯数学教授讲座这个教授的职务，推荐当时二十七岁的牛顿来接任。巴罗让贤成为科学史上的佳话。大家知道，现在卢卡斯数学讲座的这个教授的职位是谁在担任呢？就是我们大家耳熟能详的霍金。

这一年，牛顿四十三岁，正是他科学创造的巅峰期。在哈雷的敦促之下，牛顿开始着手撰写那一部至今被人们仍然誉为是个人智慧的伟大结晶的科学巨著《自然哲学的数学原理》。为了这一部书，牛顿投入了大量的精力，废寝忘食的工作，他想把脑海里面二十余年的探索的成果全部写出来。他终日沉浸在计算、论证、定理、方程式、图表、数学符号之中，牛顿有个年轻的秘书叫汉弗莱，他后来回忆说：牛顿在撰写《自然哲学的数学原理》的时候，从来没看过牛顿笑，吃饭的时候也是漫不经心，经常忘了吃饭。当提醒他你还没吃饭的时候，他还吃惊的反问：我真的没吃过吗？随后便心不在焉的随便吃一点东西。这个汉弗莱还在日记当中这样记载：他总是在沉思，把全部的时间都用在了工作上面，很少娱乐或者休息。他经常在凌晨两三点才睡觉，甚至要工作到天亮。从这些回忆当中，人们可以看到一位献身科学的伟人行为，在他的生活中除了科学还是科学，工作占据了他的全部生活。

年4月，牛顿的书稿完成，经哈雷提议，英国皇家学会决定立刻将这部重要的著作复印出版。在哈雷的资助之下，牛顿的书终于在年正式问世。《自然哲学的数学原理》这本书，是一本划时代的科学巨著，它不仅影响了几百年来人们对自然科学的研究，而且对人类的思维方式也产生了极其重要的影响。通过这一部伟大的著作，牛顿建立了经典力学的基本理论的基础，《自然哲学的数学原理》所达到的理论高度是前所未有的。爱因斯坦曾经这么说：至今还没有可能用一种同样无所不包的统一概念，来代替牛顿关于宇宙的那个统一概念，要是没有牛顿的明晰体系，我们也不可能取得如今的成就。在撰写《自然哲学的数学原理》这本书的过程当中，牛顿按照逻辑将这本书分为三个部分：第一个部分是对“物理运动论”的扩充，这部分很快就写完了；年底，第二部分“物体的运动”也完成了；年4月，他完成了第三部分“宇宙体系”，这就标志着《自然哲学的数学原理》这一科学巨著的问世。他的这本书不是简单的总结一下前人的知识，而是反应牛顿本人的学术成就。牛顿不但总结出了力学的基本定律，还证明了这些定律。书中所阐述的这些运动定律，在此之前从来没有哪个人讲的像他这么透彻，他精辟的解答了几个世纪以来，即便是最有才智的人都无法回答的这些问题。这部杰作内容严谨，简明宏大。这部书使艾萨克.牛顿在科学界的成就可谓是登峰造极呀。

牛顿的这本书有着一种冷静的风格，这本书我家里有，我家里有三本牛顿的这个传，而且就是牛顿的《自然哲学的数学原理》，这本书我也有。我拿过来翻翻，把它放在那个地方，读不懂。因为他这种风格让阅读他的人几乎透不过气来，开篇就是几个定律，数学的刻板这种性格在书中被牛顿表现得淋漓尽致。当我们读这个书的时候，我们就感觉到好像是在一个军事的这个兵器库里面，而且那个武器的尺寸如此之大，我们几乎都无法理解。很多人读牛顿的这本书是读不懂的，关于这一点牛顿他有自己的解释。他说：我是故意要把它写的深奥一些，是为了避免那些在数学上知之甚少的人来损害我的思想。但是，真正有才能的数学家还是可以读懂我的书的，我想他们理解了我的证明之后会赞同我的理论。你看，这就叫做牛人！

《自然哲学的数学原理》出版之后，不仅引起了数学家和物理学家的非议，而且也引起了宗教界的攻击。为此，牛顿作为一个虔诚的基督徒，从科学上探讨了上帝的实质，他用这样一番话表达了自己的宗教观与科学观，他说：上帝是一个代名词，与他的仆人有关，一个人要证明有一个完美的神，却为没有同时证明他就是造物主或万物的创造者，这就是尚未证明上帝的存在，一个永恒的无限的全能的智慧的最完美的却没有支配权的神，那不是上帝，而是自然上帝的神性，最好不由抽象的概念，而是有具体的现象，有它们的最终原因来证明。从这一番话当中，我们可以看得出在牛顿的心中自然哲学与神是不矛盾的，他们甚至是可以相互融为一体的，并成为牛顿探寻真理的一个动力。

明天，我们继续来探讨牛顿的这本书，因为这本书简直是太狠了，基本上是读不懂。但是你仔细去读一读，你就发现牛顿的伟大之所在。好，今天我们就讲到这里，让我们一起自我迭代，好好学习，格致教育工作坊，每天都在这里等着你。

讲座时间：年12月7日

文稿整理：詹林芳

录音整理：张倩

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