物理群星
艾萨克·牛顿 肖像

艾萨克·牛顿

Isaac Newton

1643–1727 · 生于英格兰林肯郡伍尔索普 · 英国

力学光学数学物理

让天与地服从同一套定律的人

「如果说我看得更远一些,那是因为我站在巨人的肩膀上。」

—— 1676 年致罗伯特·胡克的信

人生时间线

  1. 1643

    生于林肯郡伍尔索普庄园,是个早产的遗腹子

  2. 1661

    进入剑桥大学三一学院

  3. 1665

    鼠疫关闭剑桥,回乡近两年,酝酿出微积分、颜色理论与引力思想

  4. 1669

    接任剑桥卢卡斯数学教授席位

  5. 1672

    凭反射望远镜当选皇家学会会士,发表关于光与颜色的新理论

  6. 1687

    《自然哲学的数学原理》出版

  7. 1696

    出任皇家造币厂监督,三年后升任厂长

  8. 1705

    受安妮女王册封为爵士

  9. 1727

    在伦敦逝世,以国葬规格安葬于威斯敏斯特教堂

伟大发现

代表方程

万有引力定律

F=Gm1m2r2F = G\frac{m_1 m_2}{r^2}

宇宙中任意两个物体都在互相吸引:质量越大、离得越近,引力越强——苹果落地与月亮绕地,遵循的是同一条定律。

牛顿第二定律

F=ma\vec{F} = m\vec{a}

力不是维持运动的原因,而是改变运动的原因:受力越大,运动状态改变得越快;物体越重,改变它就越费劲。

在牛顿之前,「天上」与「人间」是两套规矩:行星被认为沿着神圣的圆周运行,石头下落则是另一回事。牛顿用三条运动定律和一条引力定律证明:从炮弹到彗星,万物服从同一套可以计算的法则。近代科学的大厦,正是奠基在他那本《原理》之上。

鼠疫年的奇迹岁月

1665 年夏,鼠疫蔓延到剑桥,大学停课,二十二岁的牛顿回到伍尔索普的家中农庄,一待将近两年。正是在这段与世隔绝的日子里,他创立了微积分的雏形(他称之为「流数术」),用棱镜把阳光拆成七彩,并开始盘算一个大胆的问题:让苹果坠落的力,是否一直延伸到月亮,把它拽在轨道上?他动手一算,月亮的「下落」与地面重物的下落大致符合平方反比的关系。苹果的故事出自他晚年向友人斯蒂克利的亲口回忆——树是真的,「砸中脑袋」则是后人的加工。科学史把 1666 年称为牛顿的「奇迹年」。

棱镜、望远镜与巨人的肩膀

回到剑桥后,牛顿在 1668 年磨制出第一台实用的反射望远镜:用凹面镜代替透镜,避开了折射望远镜恼人的彩色镶边。这台不过几十厘米长的小家伙轰动了皇家学会,1672 年他因此当选会士,并发表了关于光与颜色的新理论——白光不是纯净的,而是各色光的混合。论文却招来胡克等人的连番质疑,让生性敏感的牛顿一度发誓再不发表任何东西。1676 年,他在给胡克的信里写下那句流传至今的名言:「如果说我看得更远一些,那是因为我站在巨人的肩膀上。」

哈雷的催促与《原理》

1684 年 8 月,天文学家哈雷专程到剑桥求教:如果引力按距离平方反比减弱,行星轨道该是什么形状?牛顿脱口而出:椭圆,我算过。手稿一时找不到,他重新演算寄去,随后干脆闭关一年半,把二十年的零散洞见铸成一个完整体系。1687 年,《自然哲学的数学原理》出版——印刷费还是哈雷自掏腰包,因为皇家学会刚把出版预算花在一部《鱼类史》上。三条运动定律加上万有引力,一举推出开普勒三定律,解释了潮汐与彗星的轨道。天与地,第一次被同一支笔统一。

与莱布尼茨的阴影

晚年的牛顿卷入了与莱布尼茨关于微积分优先权的漫长争吵,两边阵营互相指控剽窃,闹得整个欧洲学界站队。今天的公论是:两人各自独立发明了微积分。这场消耗了太多才华与体面的争执,本可以避免。

造币厂里的晚年

1696 年,牛顿离开剑桥出任皇家造币厂监督,主持全国货币重铸,甚至乔装到酒馆取证,把伦敦最狡猾的伪币犯送上法庭。1703 年起,他连任皇家学会会长二十余年;1705 年受安妮女王册封为爵士。1727 年牛顿去世,英国以近乎国王的规格把他安葬在威斯敏斯特教堂。目睹葬礼盛况的伏尔泰感慨:英格兰纪念一位科学家,竟像纪念一位造福万民的君主。

思想的传承

曾受影响于

伽利略·伽利雷约翰内斯·开普勒勒内·笛卡尔

深刻影响了

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