優(yōu)選答案牛頓（Isaac Newton，1643～1727）偉大的物理學家、天文學家和數(shù)學家，經(jīng)典力學體系的奠基人。

牛頓1643年1月4日（儒略歷1642年12月25日）誕生于英格蘭東部小鎮(zhèn)烏爾斯索普一個自耕農(nóng)家庭。出生前八九個月父死于肺炎。自小瘦弱，孤僻而倔強。3歲時母親改嫁，由外祖母撫養(yǎng)。11歲時繼父去世，母親又帶3個弟妹回家務農(nóng)。在不幸的家庭生活中，牛頓小學時成績較差，“除設計機械外沒顯出才華”。

牛頓自小熱愛自然，喜歡動腦動手。8歲時積攢零錢買了錘、鋸來做手工，他特別喜歡刻制日晷，利用圓盤上小棍的投影顯示時刻。傳說他家里墻角、窗臺上到處都有他刻劃的日晷，他還做了一個日晷放在村中央，被人稱為“牛頓鐘”，一直用到牛頓死后好幾年。他還做過帶踏板的自行車；用小木桶做過滴漏水鐘；放過自做的帶小燈籠的風箏（人們以為是彗星出現(xiàn)）；用小老鼠當動力做了一架磨坊的模型，等等。他觀察自然最生動的例子是15歲時做的第一次實驗：為了計算風力和風速，他選擇狂風時做順風跳躍和逆風跳躍，再量出兩次跳躍的距離差。牛頓在格蘭瑟姆中學讀書時，曾寄住在格蘭瑟姆鎮(zhèn)克拉克藥店，這里更培養(yǎng)了他的科學實驗習慣，因為當時的藥店就是一所化學實驗室。牛頓在自己的筆記中，將自然現(xiàn)象分類整理，包括顏色調(diào)配、時鐘、天文、幾何問題等等。這些靈活的學習方法，都為他后來的創(chuàng)造打下了良好基礎。 牛頓曾因家貧停學務農(nóng)，在這段時間里，他利用一切時間自學。放羊、購物、農(nóng)閑時，他都手不釋卷，甚至羊吃了別人莊稼，他也不知道。他舅父是一個神父，有一次發(fā)現(xiàn)牛頓看的是數(shù)學，便支持他繼續(xù)上學。1661年6月考人劍橋大學三一學院。作為領取補助金的“減費生”，他必須擔負侍候某些富家子弟的任務。三一學院的巴羅（Isaac Barrow， 1630～1677）教授是當時改革教育方式主持自然科學新講座（盧卡斯講座）的第一任教授，被稱為“歐洲最優(yōu)秀的學者”，對牛頓特別垂青，引導他讀了許多前人的優(yōu)秀著作。1664年牛頓經(jīng)考試被選為巴羅的助手，1665年大學畢業(yè)。


在1665～1666年，倫敦流行鼠疫的兩年間，牛頓回到家鄉(xiāng)。這兩年牛頓才華橫溢，作出了多項發(fā)明。1667年重返劍橋大學，1668年7月獲碩士學位。1669年巴羅推薦26歲的牛頓繼任盧卡斯講座教授，1672年成為皇家學會會員，1703年成為皇家學會終身會長。1699年就任造幣局局長，1701年他辭去劍橋大學工作，因改革幣制有功，1705年被封為爵士。1727年牛頓逝世于肯辛頓，遺體葬于威斯敏斯特教堂。

牛頓的偉大成就與他的刻苦和勤奮是分不開的。他的助手H.牛頓說過，“他很少在兩、三點前睡覺，有時一直工作到五、六點。春天和秋天經(jīng)常五、六個星期住在實驗室，直到完成實驗?！彼幸环N長期堅持不懈集中精力透徹解決某一問題的習慣。他回答人們關于他洞察事物有何訣竅時說：“不斷地沉思”。這正是他的主要特點。對此有許多故事流傳：他年幼時，曾一面牽牛上山，一面看書，到家后才發(fā)覺手里只有一根繩；看書時定時煮雞蛋結(jié)果將表和雞蛋一齊煮在鍋里；有一次，他請朋友到家中吃飯，自己卻在實驗室廢寢忘食地工作，再三催促仍不出來，當朋友把一只雞吃完，留下一堆骨頭在盤中走了以后，牛頓才想起這事，可他看到盤中的骨頭后又恍然大悟地說：“我還以為沒有吃飯，原來我早已吃過了”。


牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整：“牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學的天文學，由于進行了光的分解而創(chuàng)立了科學的光學，由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學的數(shù)學，由于認識了力的本性而創(chuàng)立了科學的力學”。（牛頓在建立萬有引力定律及經(jīng)典力學方面的成就詳見本手冊相關條目），這里著重從數(shù)學、光學、哲學（方法論）等方面的成就作一些介紹。

（1）牛頓的數(shù)學成就

17世紀以來，原有的幾何和代數(shù)已難以解決當時生產(chǎn)和自然科學所提出的許多新問題，例如：如何求出物體的瞬時速度與加速度？如何求曲線的切線及曲線長度（行星路程）、矢徑掃過的面積、極大極小值（如近日點、遠日點、最大射程等）、體積、重心、引力等等；盡管牛頓以前已有對數(shù)、解析幾何、無窮級數(shù)等成就，但還不能圓滿或普遍地解決這些問題。當時笛卡兒的《幾何學》和瓦里斯的《無窮算術》對牛頓的影響最大。牛頓將古希臘以來求解無窮小問題的種種特殊方法統(tǒng)一為兩類算法：正流數(shù)術（微分）和反流數(shù)術（積分），反映在1669年的《運用無限多項方程》、1671年的《流數(shù)術與無窮級數(shù)》、1676年的《曲線求積術》三篇論文和《原理》一書中，以及被保存下來的1666年10月他寫的在朋友們中間傳閱的一篇手稿《論流數(shù)》中。所謂“流量”就是隨時間而變化的自變量如x、y、s、u等，“流數(shù)”就是流量的改變速度即變化率，寫作等。他說的“差率”“變率”就是微分。與此同時，他還在1676年首次公布了他發(fā)明的二項式展開定理。牛頓利甩它還發(fā)現(xiàn)了其他無窮級數(shù)，并用來計算面積、積分、解方程等等。1684年萊布尼茲從對曲線的切線研究中引入了和拉長的S作為微積分符號，從此牛頓創(chuàng)立的微積分學在大陸各國迅速推廣。


微積分的出現(xiàn)，成了數(shù)學發(fā)展中除幾何與代數(shù)以外的另一重要分支——數(shù)學分析（牛頓稱之為“借助于無限多項方程的分析”），并進一步進進發(fā)展為微分幾何、微分方程、變分法等等，這些又反過來促進了理論物理學的發(fā)展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲線的解答，這是變分法的最初始問題，半年內(nèi)全歐數(shù)學家無人能解答。1697年，一天牛頓偶然聽說此事，當天晚上一舉解出，并匿名刊登在《哲學學報》上。伯努利驚異地說：“從這鋒利的爪中我認出了雄獅”。

（2）牛頓在光學上的成就

牛頓的《光學》是他的另一本科學經(jīng)典著作（1704年）。該書用標副標題是“關于光的反射、折射、拐折和顏色的論文”，集中反映了他的光學成就。

第一篇是幾何光學和顏色理論（棱鏡光譜實驗）。從1663年起，他開始磨制透鏡和自制望遠鏡。在他送交皇家學會的信中報告說：“我在1666年初做了一個三角形的玻璃棱鏡，以便試驗那著名的顏色現(xiàn)象。為此，我弄暗我的房間……”接著詳細敘述了他開小孔、引陽光進行的棱鏡色散實驗。關于光的顏色理論從亞里士多德到笛卡兒都認為白光純潔均勻，乃是光的本色?！吧饽耸前坠獾淖兎N。牛頓細致地注意到陽光不是像過去人們所說的五色而是在紅、黃、綠、藍、紫色之間還有橙、靛青等中間色共七色。奇怪的還有棱鏡分光后形成的不是圓形而是長條橢圓形，接著他又試驗“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“將棱鏡放在外邊”再通過孔、“玻璃的不平或偶然不規(guī)則”等的影響；用兩個棱鏡正倒放置以“消除第一棱鏡的效應”； 取“來自太陽不同部分的光線，看其不同的入射方向會產(chǎn)生什么樣的影響”；并“計算各色光線的折射率”，“觀察光線經(jīng)棱鏡后會不會沿曲線運動”；最后才做了“判決性試驗”：在棱鏡所形成的彩色帶中通過屏幕上的小孔取出單色光，再投射到第二棱鏡后，得出核色光的折射率（當時叫“折射程度”），這樣就得出“白光本身是由折射程度不同的各種彩色光所組成的非勻勻的混合體”。這個驚人的結(jié)論推翻了前人的學說，是牛頓細致觀察和多項反復實驗與思考的結(jié)果。 在研究這個問題的過程中，牛頓還肯定：不管是伽利略望遠鏡（凹、凸）還是開普勒望遠鏡（兩個凸透鏡），其結(jié)構(gòu)本身都無法避免物鏡色散引起起的色差。他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過仔細研磨后的金屬反射鏡面作為物鏡可放大 30～40倍。1671年他將此鏡送皇家學會保存，至今的巨型天文望遠鏡仍用牛頓式的基本結(jié)構(gòu)。牛頓磨制及拋光精密光學鏡面的方法，至今仍是不少工廠光學加工的主要手段。

《光學》第二篇描述了光照射到疊放的凸透鏡和平面玻璃上的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的各種實驗。除產(chǎn)生環(huán)的原因他沒有涉及外，他作了現(xiàn)代實驗所能想到的一切實驗，并作了精確測量。他把干涉現(xiàn)象解釋為光行進中的“突發(fā)”或“切合”，即周期性的時而突然“易于反射”，時而“易于透射”，他甚至測出這種等間隔的大小，如黃橙色之間有一種色光的突發(fā)間隔為 1／89 000英寸（即現(xiàn)今 2 854×10-10米），正好與現(xiàn)代波長值5 710×10-10米相差一半！

《光學》第三篇是“拐折”（他認為光線被吸收）即衍射、雙折射實驗和他的31個疑問。這些衍射實驗包括頭發(fā)絲、刀片、尖劈形單縫形成的單色窄光束“光帶”（今稱衍射圖樣）等10多個實驗。牛頓已經(jīng)走到了重大發(fā)現(xiàn)的大門口卻失之交臂。他的31個疑問極具啟發(fā)性，說明牛頓在實驗事實和物理思想成熟前并不先作絕對的肯定。牛頓在《光學》一、二篇中視光為物質(zhì)流，即由光源發(fā)出的速度、大小不同的一群粒子，在雙折射中他假設這些光粒子有方向性且各向異性。由于當時波動說還解釋不了光的直進，他是傾向于粒子說的，但他認為粒子與波都是假定。他甚至認為以太的存在也是沒有根據(jù)的。

在流體力學方面，牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比，這種阻力與液體各部分之間的分離速度成正比，符合這種規(guī)律的（如、空氣與水）稱為牛頓流體。 在熱學方面，牛頓的冷卻定律為：當物體表面與周圍形成溫差時，單位時間單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。

在聲學方面，他指出聲速與大氣壓強平方根成正比，與密度平方根成反比。他原來把聲傳播作為等溫過程對待，后來 P.S.拉普拉斯糾正為絕熱過程。

（3）牛頓的哲學思想和科學方法

牛頓在科學上的巨大成就連同他的樸素的唯物主義哲學觀點和一套初具規(guī)模的物理學方法論體系，給物理學及整個自然科學的發(fā)展，給18世紀的工業(yè)革命、社會經(jīng)濟變革及機械唯物論思潮的發(fā)展以巨大影響。這里只簡略勾畫一些輪廓。 牛頓的哲學觀點與他在力學上的奠基性成就是分不開的，一切自然現(xiàn)象他都力圖力學觀點加以解釋，這就形成了牛頓哲學上的自發(fā)的唯物主義，同時也導致了機械論的盛行。事實上，牛頓把一切化學、熱、電等現(xiàn)象都看作“與吸引或排斥力有關的事物”。例如他最早闡述了化學親和力，把化學置換反應描述為兩種吸引作用的相互競爭；認為“通過運動或發(fā)酵而發(fā)熱”；火藥爆炸也是硫磺、炭等粒子相互猛烈撞擊、分解、放熱、膨脹的過程，等等。

這種機械觀，即把一切的物質(zhì)運動形式都歸為機械運動的觀點，把解釋機械運動問題所必需的絕對時空觀、原子論、由初始條件可以決定以后任何時刻運動狀態(tài)的機械決定論、事物發(fā)展的因果律等等，作為整個物理學的通用思考模式?？梢哉J為，牛頓是開始比較完整地建立物理因果關系體系的第一人，而因果關系正是經(jīng)典物理學的基石。 牛頓在科學方法論上的貢獻正如他在物理學特別是力學中的貢獻一樣，不只是創(chuàng)立了某一種或兩種新方法，而是形成了一套研究事物的方法論體系，提出了幾條方法論原理。在牛頓《原理》一書中集中體現(xiàn)了以下幾種科學方法：

①實驗——理論——應用的方法。牛頓在《原理》序言中說：“哲學的全部任務看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力，而后用這些方去論證其他的現(xiàn)象。”科學史家 I.B.Cohen正確地指出，牛頓“主要是將實際世界與其簡化數(shù)學表示反復加以比較”。牛頓是從事實驗和歸納實際材料的巨匠，也是將其理論應用于天體、流體、引力等實際問題的能手。

②分析——綜合方法。分析是從整體到部分（如微分、原子觀點），綜合是從部分到整體（如積分，也包括天與地的綜合、三條運動定律的建立等）。牛頓在《原理》中說過：“在自然科學里，應該像在數(shù)學里一樣，在研究困難的事物時，總是應當先用分析的方法，然后才用綜合的方法……。一般地說，從結(jié)果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到最普遍的原因為止，這就是分析的方法；而綜合的方法則假定原因已找到，并且已經(jīng)把它們定為原理，再用這些原理去解釋由它們發(fā)生的現(xiàn)象，并證明這些解釋的正確性”。 ③歸納——演繹方法。上述分析一綜合法與歸納一演繹法是相互結(jié)合的。牛頓從觀察和實驗出發(fā)?！坝脷w納法去從中作出普通的結(jié)論”，即得到概念和規(guī)律，然后用演繹法推演出種種結(jié)論，再通過實驗加以檢驗、解釋和預測，這些預言的大部分都在后來得到證實。當時牛頓表述的定律他稱為公理，即表明由歸納法得出的普遍結(jié)論，又可用演繹法去推演出其他結(jié)論。 ④物理——數(shù)學方法。牛頓將物理學范圍中的概念和定律都“盡量用數(shù)學演出”。愛因斯坦說：“牛頓才第一個成功地找到了一個用公式清楚表述的基礎，從這個基礎出發(fā)他用數(shù)學的思維，邏輯地、定量地演繹出范圍很廣的現(xiàn)象并且同經(jīng)驗相符合”，“只有微分定律的形式才能完全滿足近代物理學家對因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一”。牛頓把他的書稱為《自然哲學的數(shù)學原理》正好說明這一點。

牛頓的方法論原理集中表述在《原理》第三篇“哲學中的推理法則”中的四條法則中，此處不再轉(zhuǎn)引。概括起來，可以稱之為簡單性原理（法則1），因果性原理（法則2），普遍性原理（法則3），否證法原理（法則4，無反例證明者即成立）。有人還主張把牛頓在下一段話的思想稱之為結(jié)構(gòu)性原理：“自然哲學的目的在于發(fā)現(xiàn)自然界的結(jié)構(gòu)的作用，并且盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法規(guī)和一般的定律——用觀察和實驗來建立這些法則，從而導出事物的原因和結(jié)果”。

牛頓的哲學思想和方法論體系被愛因斯坦贊為“理論物理學領域中每一工作者的綱領”。這是一個指引著一代一代科學工作者前進的開放的綱領。但牛頓的哲學思想和方法論不可避免地有著明顯的時代局限性和不徹底性，這是科學處于幼年時代的最高成就。牛頓當時只對物質(zhì)最簡單的機械運動作了初步系統(tǒng)研究，并且把時空、物質(zhì)絕對化，企圖把粒子說外推到一切領域（如連他自己也不能解釋他所發(fā)現(xiàn)的“牛頓環(huán)”），這些都是他的致命傷。牛頓在看到事物的“第一原因”“不一定是機械的”時，提出了“這些事情都是這樣地井井有條……是否好像有一位……無所不在的上帝”的問題，（《光學》，疑問29），并長期轉(zhuǎn)到神學的“科學”研究中，費了大量精力。但是，牛頓的歷史局限性和他的歷史成就一樣，都是啟迪后人不斷前進的教材