牛顿简介(英国物理学家牛顿简介)

简介

艾萨克·牛顿爵士(1643年1月4日-1727年3月31日)是英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。1687年，他发表了《自然哲学的数学原理》，阐述了万有引力和三大运动定律，奠定了后来三个世纪的力学和天文学的基础，成为现代工程学的基础。通过证明开普勒的行星运动定律和他的引力理论之间的一致性，他表明了地面物体和天体的运动都遵循相同的自然定律。它为日心说提供了强有力的理论支持，推动了科学革命。

牛顿

力学上，牛顿阐述了动量和角动量守恒原理。在光学方面，他发明了反射望远镜，并基于三棱镜将白光发散成可见光谱的观察发展了颜色理论。他还系统地陈述了冷却定律，研究了声速。

在数学上，牛顿和戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展微积分的荣誉。他还证明了广义二项式定理，提出了逼近函数零点的“牛顿法”，对幂级数的研究做出了贡献。

2005年，英国皇家学会进行了一项关于“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查。在英国皇家学会成员和受访网民的投票中，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更有影响力。

早期生活

牛顿出生在英国林肯郡埃尔斯索普的一所房子里。

牛顿去了国王高中。

国王的窗台牛顿的签名

1643年1月4日，艾萨克·牛顿出生于英国英格兰东米德兰林肯郡南凯埃尔斯索普埃尔斯索普庄园。牛顿出生前三个月，他的父亲，也叫艾萨克，刚刚去世。新生儿牛顿因为早产，很瘦；据传，他的母亲汉娜·艾斯库曾经说过，牛顿出生时小到可以装进一夸脱的大杯子里。牛顿3岁时，母亲再婚，住在新丈夫巴纳巴斯·史密斯牧师(Reverend barnabas Smith)位于北惠特姆的家中，并将牛顿托付给他的祖母马杰利·艾斯库(Majery Ayscough)。年轻的牛顿不喜欢他的继父，因为他的母亲嫁给了他，他对他的母亲持有一些敌意。牛顿甚至写道:“威胁我的继父和生母把他们连同房子一起烧掉。”

根据《伟大的数学家和数学史导论》一书，“牛顿在乡村学校开始了他的求学生活，后来被送到格兰瑟姆的国王中学，在那里他成为了最优秀的学生。在国王高中，他与当地药剂师威廉·克拉克在一起，并在19岁去剑桥大学之前与药剂师的继女安妮·斯塔勒订婚。后来，因为牛顿专注于他的研究，冷却了他的爱情，斯塔勒小姐嫁给了别人。据说牛顿对这段恋情有美好的回忆，但此后再无其他恋情，牛顿也从未结婚。”

然而，根据牛顿同时代的朋友威廉·蒂克利写的《艾萨克·牛顿爵士生平回忆录》记载，在牛顿死后，斯图克雷拜访了文森特夫人，她是牛顿的情人，斯塔勒小姐。文森特夫人的名字是凯瑟琳，而不是安妮，安妮是她的妹妹，文森特夫人只说牛顿在寄宿时只是对她“亲热”。

大约从12岁到17岁，牛顿在国王中学学习，在学校图书馆的窗台上可以看到他的签名。他辍学并于1659年10月回到埃尔斯索普，因为他守寡的母亲希望牛顿成为一名农民。虽然牛顿遵从了母亲的意愿，但根据牛顿同龄人后来的叙述，务农让牛顿相当不开心。幸运的是，国王中学的校长亨利·斯托克斯说服了牛顿的母亲，牛顿被送回学校完成了学业。他18岁完成了中学学业，拿到了一份完美的毕业报告。牛顿的学习成绩如此优秀，部分原因是因为挑战和报复了一个校霸。剑桥心理学家西蒙·宾-科恩(Simon Byung-Cohen)认为，牛顿很可能患有阿斯伯格综合症。

1661年6月，他进入剑桥大学三一学院。当时，学院的教学是基于亚里斯多德的理论，但牛顿更喜欢阅读一些现代哲学家如勒内·笛卡尔和天文学家如伽利略·伽利雷、尼古拉斯·哥白尼和约翰尼斯·开普勒的更先进的思想。1665年，他发现了广义二项式定理，并开始发展一套新的数学理论，后来被称为微积分。1665年，牛顿拿到了学位，为了防止伦敦大瘟疫，大学关闭了。在接下来的两年里，牛顿继续在家里研究微积分、光学和万有引力定律。

1667年，牛顿获得奖学金，回到剑桥大学三一学院读研究生。根据规定，只有官方任命的牧师才有资格成为剑桥大学三一学院的研究生。牛顿不愿意当牧师，因为他的宗教观点不正统。但牧师的任命没有截止日期，于是牛顿先拿下了研究生的职位，牧师的任命被无限期推迟。然而，当牛顿被任命为卢卡斯数学教授时，问题就来了，如此重要的职位是不可能避免被任命为牧师的条件的。不过牛顿得到了查理二世的许可，但还是绕开了这个限制。

中年生活

数学

大多数现代历史学家认为牛顿和莱布尼茨独立发明了微积分。据牛顿身边的人说，牛顿在提出他的方法比莱布尼茨早几年，但他在1693年之前几乎没有发表过什么东西，直到1704年他才给出完整的交代。同时，莱布尼茨在1684年发表了他的方法的完整描述。他们创造了不同的微积分符号。欧洲大陆完全采用莱布尼茨符号，英国则使用牛顿的微积分符号，直到1820年才完全采用莱布尼茨符号。莱布尼茨的笔记本记录了他的思想从起步阶段到成熟的发展过程，但在牛顿已知的记录中只找到了他的最终成果。

牛顿与瑞士数学家尼古拉斯·法迪奥·丢勒关系密切，他从一开始就被牛顿的万有引力定律所吸引。1691年，丢勒打算编辑牛顿自然哲学数学原理的新版本，但从未完成。1694年，两人关系冷却。当时，丢勒还与莱布尼茨交换了几封信。

1999年初，英国皇家学会成员(牛顿是其中之一)指责莱布尼茨剽窃牛顿的微积分成果，引发了牛顿与莱布尼茨关于微积分的激烈争论。最终，英国皇家学会宣布牛顿是微积分的真正发明者，并斥责莱布尼茨抄袭。但是后来发现莱布尼茨的调查结论是牛顿自己写的。这场持续多年的激烈争论玷污了牛顿和莱布尼茨的名声，直到1716年莱布尼茨去世才停止。

牛顿公认的成就之一是广义二项式定理，它适用于任何幂。他发现了牛顿恒等式和牛顿法，对三次曲线(二元三次多项式)进行了分类，对有限差分理论做出了巨大贡献，首次利用分数指数和坐标几何得到了丢番图方程的解。他用对数逼近调和级数的部分和(这是欧拉求和公式的先驱)，第一次胸有成竹地使用了幂级数和倒幂级数。他还发现了一个新的公式。

1669年，他被授予卢卡斯数学教授。在那一天之前，剑桥或牛津的所有成员都被任命为圣公会牧师。但卢卡斯教授职位的条件要求其持有人不得在教会中活动(想必这样可以让持有人有更多时间进行科学研究)。牛顿认为他应该免除文书工作的条件，这需要查尔斯二世的许可，他接受了牛顿的意见。这就避免了牛顿的宗教观点和圣公会信仰的冲突。

光学

从1670年到1672年，牛顿负责教授光学。在此期间，他研究了光的折射，发现棱镜可以将白光分散成色谱，而透镜和第二棱镜可以将色谱重新组合成白光。

牛顿在1672年使用的6英寸反射望远镜复制品为皇家学会所有。

他还发现，通过分离单色光束并照射到不同的物体上，彩色光不会改变其自身的属性。牛顿还注意到，无论是反射、散射还是发射，有色光都会保持不变的颜色。所以我们观察到的颜色是物体和特定色光结合的结果，而不是物体产生颜色的结果。

牛顿发现棱镜可以将白光分散成彩色光谱。

由此他得出了如下结论:任何折射望远镜都会受到光色散成不同颜色的影响，于是他发明了反射望远镜(现在叫牛顿望远镜)来克服这个困难。他自己打磨大口径镜片，用牛顿环测试镜片的光学质量，从而制造出优于折射望远镜的仪器。1671年，他向皇家学会展示了他的反射式望远镜，然后出版了他的《光学笔记》，后来扩展成《光学》一书。罗伯特·胡克批评了牛顿的一些观点，牛顿对此非常不满，退出了辩论。从此两人成了敌人，一直持续到虎克去世。

牛顿的光是由粒子或粒子组成的，当它通过光学致密介质加速时会发生折射。他认为薄膜的折射和透射现象可以用光的“波动理论”来解释，但他自己的“粒子理论”可以更好地解释光学现象，比如衍射。1704年，牛顿写了《光学》,在书中他阐述了光的粒子理论。他认为光是由非常微小的粒子组成的，而普通物质是由较粗的粒子组成的，并推测如果采用某种炼金术的转化，“物质和光不能互相转化吗？”物质不能从进入其结构的轻粒子中获得主要动力吗？后世很多物理学家都持波动论的观点。后来量子力学认为光具有波粒二象性，称为波粒二象性，虽然这个理论中的“粒子”光子与牛顿理论中的有很大不同。

在1675年发表的解释光的性质的假说中，牛顿认为粒子之间的力的传递是通过以太进行的。然而，牛顿在与神学家亨利·摩尔接触后，重新燃起了对炼金术的兴趣，并用赫尔墨斯的神智学思想粒子相吸相斥的神秘力量来解释，取代了之前以太存在的假设。拥有多部牛顿炼金术著作的经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯曾说，“牛顿不是理性时代的第一人，他是最后一个炼金术士。”[10]但牛顿对炼金术的兴趣与其对科学的贡献密切相关[11]，当时炼金术与科学并无明显区别。如果他没有依靠神秘主义通过真理空来解释距离的作用，他很可能不会发展出他的引力理论。

牛顿的玻璃球被用来制造最初的摩擦静电发生器。

力学

1679年，牛顿回到了力学的研究:重力及其对行星轨道的影响，开普勒行星运动定律，以及与胡克和弗兰斯特德的力学讨论。他把自己的成就归功于《物体在轨道上的运动》一书，这本书包含了后来在《自然哲学的数学原理》中形成的初步运动定律。

在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下,《自然哲学的数学原理》(现在通常简称为《原理》)于1687年7月5日出版。在这本书中，牛顿阐述了三个运动定律，在接下来的200年里被奉为真理。牛顿用拉丁文“gravitas”来命名今天的引力，并定义了万有引力定律。在这本书中，他还基于玻意耳定律提出了第一个分析和测量空气体中声速的方法。

《原理》的出版使牛顿成为当时最有影响的科学家。牛顿和瑞士数学家尼古拉斯·法迪奥·丢勒建立了非常密切的关系，直到他们的友谊在1693年破裂。

老年生活

牛顿在17世纪90年代写了许多关于圣经字面解释的宗教小册子。亨利·摩尔对宇宙的信仰和对笛卡尔二元论的拒绝影响了牛顿的宗教思想。在他寄给约翰·洛克的一份未发表的手稿中，他质疑三位一体的存在。

696年，牛顿在当时的财政大臣查尔斯·蒙塔古的帮助下，在皇家铸币厂的监督下搬到了伦敦，直到他去世。他主持了英国最大的货币重铸工作。这个位置一般都是闲着的，但是牛顿对此很认真。他估计大约20%的硬币是伪造的。伪造货币在英国是一项重罪，将被处以极刑。给那些臭名昭著的罪犯定罪是非常困难的；但事实证明牛顿做得很好。

他收集了大量的证据来掩饰自己的身份，然后在酒吧和客栈里公布出来。英国法律保留了老而麻烦的习惯，为的是设置一定的起诉门槛，将政府部门与司法部门分开。牛顿因此成为了治安官，并在1698年6月至1699年圣诞节期间领导了对200名证人、告密者和嫌疑犯的交叉询问。最终，牛顿胜诉，并于1699年2月处决了10名罪犯。

也许牛顿最大的胜利是对抗作为国王法律代表的威廉·夏洛内。Challoner密谋策动了一个假的天主教阴谋，然后举报了不幸被他引诱的同谋者。在一份提交给国会的请愿书中，查洛纳指控造币厂向造假者提供工具以获取报酬，并要求国会允许他检查造币厂的生产过程，以证明他的指控。他还要求国会采纳他所谓的“不可伪造的造币过程”和“打击假币的计划”。在这一点上，牛顿被激怒了，他开始调查查洛内到底做了什么。在调查过程中，牛顿发现查隆纳参与了假币的制造。他立即起诉了查洛内，但由于查洛内在高层有一些朋友，他被判无罪，这让牛顿很不高兴。在第二次起诉中，牛顿提供了确凿的证据，成功使查洛内被判大罪。1699年3月23日，夏洛纳在泰伯恩的刑场被汽车肢解。

1701年，牛顿辞去卢卡斯数学教授的职务后。他在改革劣质货币和假币的流通和惩罚方面锻炼了自己的能力。牛顿在1717年通过《安妮女王法案》创造了金币和银币之间的联系，非正式地将英镑硬币从银本位制转移到金本位制；这在当时是一项重大改革，大大增加了英格兰的财富和稳定。1705年，安妮女王授予牛顿爵士的地位。牛顿是第二位被授勋的英国科学家，第一位是弗朗西斯·培根。

停止

威斯敏斯特教堂的牛顿墓

牛顿于1727年3月31日在伦敦逝世，并在威斯敏斯特教堂举行了国葬，成为历史上第一位接受国葬的自然科学家。

20世纪70年代，对牛顿头发的化学分析显示，水银含量比正常值高出50多倍，最可能的解释是他从事炼金术。汞中毒或许可以解释牛顿晚年的一些奇怪行为。

牛顿墓位于威斯敏斯特教堂的中殿。墓地上方矗立着一座牛顿的雕像，其石像坐落在一堆书上。他的周围有两个天使和一个巨大的地球形状，以纪念他在科学上的成就。

英国诗人亚历山大·蒲柏为牛顿写下了如下墓志铭:

自然法则隐藏在黑暗中。神说，让牛顿诞生，一切豁然开朗。

自然哲学和宗教观点

牛顿反对把宇宙解释为一个纯粹的机器，比如一个大钟。他说:“引力解释了行星的运动，但不能解释是谁让行星运动的。上帝统治一切，知道他所做的和能做的一切。”

牛顿对圣经和早期教会长老的研究也值得注意。牛顿写过一些圣经批判的著作，其中最著名的是《两个著名的圣经腐败者的历史变迁》。牛顿还竖起了耶稣基督的十字架，这与传说中的公元33年4月3日不谋而合。他也试图在圣经中寻找隐藏的消息，但没有成功。

牛顿可能已经拒绝了教会的三位一体学说。在众多观点中，T.C. Pfizenmaier认为他更像是东正教的三位一体观，而不是西方天主教、圣会和大多数新教教派的三位一体观。在他的时代，牛顿(像许多活跃在皇家学会和查理二世宫廷的人一样)被指控为玫瑰十字会的成员。

牛顿一生中写的宗教著作比自然科学著作还多。他相信理性的主观世界，但他拒绝莱布尼茨和巴鲁克·斯宾诺莎认为一切都是有生命的。所以有序的、动态告知的宇宙是可以理解的，而且必须用积极的理性去理解，但这个完美的、注定的宇宙必须有规律地运行。牛顿坚持认为，由于不稳定性的积累和缓慢增长，上帝的不断干预是改善宇宙系统所必需的。所以莱布尼茨讽刺牛顿说:“上帝必须时不时给自己造的钟上发条，不然钟就要停了。看来他没有能力让这个钟永远运转下去。”

德国哲学家黑格尔批评牛顿的光学是“粗暴的反映论方式”，但黑格尔武断的自然哲学观也在科学界抹黑了黑格尔的哲学体系。

牛顿对宗教思想的影响

牛顿和罗伯特·波义耳的机械论被理性主义作家宣传为泛神论和狂热主义的可行替代方案，并被正统传教士和持不同政见的传教士如自由主义者有保留地接受[21]。这样，科学的清晰和简明使得无论是在迷信还是无神论中，都没有人能够匹敌或反驳它[22]。与此同时，第二波英国自然神论者利用牛顿的发现论证了“自然宗教”的可能性。

威廉·布莱克的名画《牛顿》。在这幅画中，牛顿被简化为“神学几何学家”

波义耳的机械论宇宙观对启蒙时代以前的“魔法思想”和基督教神秘元素的存在基础进行了抨击。牛顿通过数学证明完善了波义耳的思想，也许更重要的是，它们的普及也非常成功。[23]例如，如果原始世界是由干涉主义的上帝统治的，那么牛顿就把它变成了由用理性和普遍原则设计的上帝创造的世界。[24]这些原则使每个人都能获取知识，在此生积极追求自己的目标，用自己的理性力量完善自己。

牛顿视上帝为造物主，所以他认为当面对一切生物的宏伟时，他的存在是不可否认的。然而，他对上帝的看法产生了不可预测的神学结果。正如莱布尼茨所指出的，上帝现在已经完全从世界事务中隐退了:干涉的需要只会证明上帝作品中的一些瑕疵，这对于一个完美的、无所不能的造物主来说是不可能的。莱布尼茨的上帝学说将上帝与参与其创造的行动分离开来，从而消除了上帝在“邪恶问题”中的责任。因此，对世界的认识被降低到了个体原因的层面，而人类，正如奥多·马夸德所知道的那样，应该负责纠正和消除邪恶。

另一方面，宗教自由主义的思想和牛顿的理论对千禧年主义的产生有着深远的影响。千禧年主义是一个信仰机械论宇宙观的宗教派别，但在实践中与狂热主义和神秘主义如出一辙。启蒙运动为了消灭它，与它进行了艰苦的斗争。

牛顿运动定律

著名的三大运动定律:

1.牛顿第一定律(又称惯性定律)指出，一个静止的物体倾向于保持静止，而一个匀速运动的物体倾向于保持匀速，除非受到一个组合外力的作用。阐述了力和惯性两个物理概念，说明了力与运动状态的关系，提出了一切物体都具有保持运动状态不变的特性——惯性，这是物理学中的一个重要基本定律。

2.牛顿第二定律指出，作用在物体上的力等于其动量随时间的变化率。这说明物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与物体的质量成反比。在米-千克-秒的度量衡制中，质量的单位是千克，加速度是米每秒的二次方，力是牛顿(以他的名字命名)。

3.牛顿第三定律指出，每一个力都有大小相等方向相反的反作用力。

两个物体之间的作用力f和反作用力f，沿同一直线，大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上。

名言

法国数学家约瑟夫·拉格朗日经常说牛顿是迄今为止最伟大的天才，他曾经评价牛顿是“最幸运的，因为我们再也无法创造一个世界体系。”

有一种观点认为，牛顿本人对自己的成就非常谦逊。1676年，他写给罗伯特·胡克的一封信中出现了一句名言:

如果我比别人看得更远，那是因为我站在巨人的肩膀上。

牛顿在回忆录中写道:但约翰·格里宾和迈克尔·怀特两位作家认为，这实际上是牛顿对胡克(身材矮小和驼背)的讽刺，没有——或者说除了——谦逊: