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这一年,牛顿出版了他的光辉巨作——《自然哲学之数学原理》。
在这一元典中,他提出了奠定经典力学基础的牛顿运动三大定律以及万有引力定律。
关于牛顿运动三大定律,诸位在课堂上肯定是接触过、了解过的,因而,你完全可以跳过去,它不会影响我们后面的旅程。在这里,我还是要把它写下来,因为它是人类思想的精华和巅峰。
牛顿第一定律(惯性定律) 每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。
牛顿第二定律 运动的变化正比于外力,变化的方向沿外力作用的直线方向。
牛顿第三定律 每一种作用都有一个相等的反作用;或者,两个物体间的相互作用总是相等的,而且指向反向。(引自《自然哲学之数学原理》)
而牛顿的万有引力定律说的是:任意两个有质量的物体间都存在着相互吸引的力,其大小与两物体的质量之积成正比,与其距离之平方成反比。
自然语言的描述是抽象的,这就与追求精确的科学的目的相悖,这就产生了矛盾。有矛盾就必须解决矛盾,无论在社会中,还是历史中,甚至生活中,这都是不变的解决事情的方法。因此,在科学中也不例外。而锦囊是——用数学语言。
只有数字才能定量地描述一件事或物。打个比方,如果说“这块石头很重”,但是究竟有多重呢?不同的人会有不同的理解。但换成说“这快石头重达100公斤”,那么大家就能取得这块石头很重的统一认识了。这就是数字,或者在扩大一些——数学语言的优势所在。
同样的道理,这个万有引力究竟有多大呢?自然语言很难说得清楚。
要是写成数学式子,运用数字来去描述的话,就相当的直接、明了。
F=GMm/r2
这是万有引力的数学表达式。其中,M、m是两物体的质量,用具体数字代替。r是他们的距离,还是代表某个数字。G是常量,等于6。67×10…11(牛米2/千克2)。
于是,质量均为1千克的两个物体,相距1米的话,我们可以很快地将这些具体数字代入上面那条式子中,运用计算法则得到他们之间的万有引力大小——6。67×10…11牛。大家就能清楚得达成了共识。
如果用自然语言来描述的话,诸位试一下,看看有没有困难。
从中我们可以体会到,数学式子也不过是一种描述事物的语言,它没有什么可怕的。它是人们在解决矛盾过程中的必然结果。而且,它还具有比平常语言的优越性。拥有它,驾弩它,是人类智慧的象征,是一个人素质的体现。
希望一些朋友能够放下对数学的恐惧,而给予它一个正确的对待,还予它一个公正的评价。这不也是我们的责任吗?
人,不能因为个人爱恨,而失去对事物的公平对待。
生活如此,科学亦如此。
好,咱们继续前行。
一开始不被人信服、理解,在嘲讽中成长,最后赢得世人无上的赞赏和荣耀。
这是诸多理论的必由之路。
万有引力定律也不例外。然而,历史的车轮滚滚前行,每一样事物最终都会得到它应有的位置。
1781年,英国天文学家威廉·赫歇耳利用望远镜发现了太阳系的第七大行星——天王星。所有人都在期待下一颗行星的登场,然而一无所获。
1821年,人们在计算和观察中发现,天王星的轨道与牛顿万有引力定律的预言有很大偏差,什么原因呢?
一个可能,牛顿错了。
另一个可能,牛顿是对的。如果是这样的话,那就应该有一个未知的天体影响了天王星的运动。
何去何从?历史的判决还是交给实验。
在这千钧一发的时刻,英国剑桥大学学生亚当斯(嘿嘿,牛顿的校友,或者师弟)和法国天文学家勒维烈分别独自经过辛苦的计算,得到了这个未知天体的参数。
1846年9月23日,柏林天文台。漆黑的夜晚。两个青年屏住呼吸,小心翼翼地对准了他们计算得到的位置。
老兄,是这里吗?
我看有点像!
确定一点,好像……
我说兄弟呀,是它吧……应该是的!
我没有眼花吧?
……
历史翻开新的一页,在上面重重地写上:1846年9 月23日,亚当斯和勒维烈发现了人类的第八颗行星——海王星。
牛顿胜利了!
数学胜利了!
人类胜利了!
这是一次理论预言的光辉典范。人类用他们对大自然的理解和自己的逻辑能力,窥见了上帝的运作秘密!
我们有理由为自己自豪!
我们有理由为自己喝彩!
海王星的发现极大地支持了万有引力定律,人们逐渐消除了对它的怀疑,并在它的指引下,继续像未知领域进发!
回到牛顿身上。
由于在科学上的造诣,尤其是《自然哲学之数学原理》的发表之后,牛顿受到众人的仰慕,震惊了全世界。各国的科学家、元首和贵族都纷纷慕名前来拜访,甚至以见过牛顿为荣。(看来研究科学,赚得也不错……)
“噢,兄弟,俺今天跟牛兄打了个招呼!”一语既出,众人连忙低头哈腰,一脸敬畏的神情。
这或许是当时的一个场面。
牛顿还担任了剑桥大学的卢卡斯数学教授(现在坐镇这一职位的是大物理学家霍金),并且当选为英国皇家学会会长(曾经是胡克的高椅)。
除了这些在科学界的荣耀之外,牛顿在政界混得也不赖。
1689年,国会议员;1696年,造币局总监;1701年,国会议员;1705年,受女王册封成为爵士。
与此同时,牛顿的嘴皮子也不闲着。为了争夺微积分的发明权,牛顿一直跟莱布尼茨纠缠不清,争论不休。(莱布尼茨是德国人,他与牛顿关于微积分发明权的争论也成了数学界的一桩公案,现在认为,莱布尼茨与牛顿各自独立发明了微积分,两人都是微积分的创始人。)
研究炼金术、上帝和《圣经》,也是牛顿后半世的重要节目。(这个……)
牛顿还是个“钻石王老五”,终生未娶。(搞科学得献身哪!)
苹果树下。
一丝夕阳的余晖微弱地透过苹果树叶的空隙,隐约地照在一本画了很多几何曲线的书上。
牛顿拖着疲倦的身子靠在树边,看着手里的——是自己的心血——《自然哲学之数学原理》。
一幕幕往事涌上了心间。
曾经我被父亲抛弃……
曾经我在外祖母手把手下学习、写字……
曾经我跟那位同学决斗……
曾经我在这棵苹果树下……
曾经我与胡克争吵……
曾经我在多少个不眠夜晚挑灯书写《自然哲学之数学原理》……
曾经我接受无上的荣耀……
曾经我被陛下授予爵士……
曾经我与莱布尼茨论剑……
曾经我……
哎——奔波一生,荣誉万千!心中困惑,不知遂否?
牛顿抬起头,长吁了一口气。
可惜,炼丹术还没有结果。可惜,我还没有找到上帝的足迹。可惜,流数(微积分)的优先权还在争论。可惜,当年与胡克的针锋……
一阵微风吹过,翻动了书页,最后停在开头的几页上。
这一页写的不是别的,上面正是第一定律:
每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。
牛顿看了一下,脸上闪过一丝微笑。他想,
只是,不知,我的定律会不会遇到外力呢?几百年后它还是现在的状态吗?
……
1727年3月20日,牛顿离开人世,享年85岁。英国王室在西敏寺大教堂为这位人类最伟大的科学家举行了国葬。
或许,牛顿是睿智的,他敏锐地觉察到了他的理论的危机。
不过,现在我们还是先来看看牛顿以后物理学的发展。
牛顿运动定律和万有引力定律的建立,标志着完整的经典力学体系的形成,人们第一次统一了那么广阔的物理帝国,从天上到地下,从地球到遥远的恒星,无不划进我们的疆域之中。从此以后,物理学成为了一门成熟的自然科学,繁衍生息,一直到今天。
在这一点上,牛顿功不可磨。
围绕着牛顿建立起来的经典力学体系,后来的物理学家们先后从动量、能量角度描述了牛顿定律,从