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牛顿(1642~1727)
《自然哲学的数学原理》的扉页

  伟大的英国物理学家、天文学家、数学家。

生平

  1642年12月25日(新历1643年1月4日)生于林肯郡,幼年时代就喜欢制作机械玩具。1661年进剑桥大学三一学院学数学,1665年获文学士学位。1667年他进三一学院当研究生,次年获硕士学位。1669年牛顿受到数学教授巴罗博士的推荐,继承他的教授职位。1689年和1701年,牛顿两次以剑桥大学代表的身份被选入议会。1696年他被聘为造币厂的监督。1703年起担任英国皇家学会会长。1727年3月20日(新历3月31日)逝世于伦敦。

  牛顿在科学上的贡献是非常巨大的。从天文学来说,他的主要成就有两方面,即天文光学的研究和万有引力定律的发现。

天文光学

  1666年,牛顿重复了用三棱镜分解日光为七色光带的实验。他正确地解释说,这是各色光线通过玻璃时折射率不同造成的。但是,他认为各种玻璃的折射本领都是一样的,因此折射望远镜不易制造。为了解决这个难题,牛顿便以铜锡合金磨成一面凹面镜来反射聚光成像,1672年牛顿制成了一种新的反射望远镜,一般称为牛顿望远镜。他亲手制造的望远镜现仍保存在英国皇家学会作为珍贵的展品(见彩图)。

万有引力定律的发现

  1666年,牛顿在家乡躲避瘟疫的时候,曾思考过引力问题。据牛顿晚年的密友斯多克雷的回忆录记载,牛顿在1726年 4月15日亲口告诉他,牛顿曾因见到树上的苹果落地而引起深思,引力的概念进入他的脑海。他的结论是,物体都互相吸引,地球上所有物质对苹果的吸引力的合力是向着地心的,因此苹果才向着地心落下。进一步,牛顿又把物体相互吸引的问题推广到宇宙间。他又想到月球离地球虽然远到地球半径的60倍,但地球的引力也一定会达到月球。那么,月球何以不坠落呢?这一定和月球绕地球的运动有关。若月球暂时停止运动,无疑它会落向地球引起灾难性的碰撞,应该是月球的绕地运动使这灾难得以避免。天体互相吸引的概念,在牛顿以前就有人想到过,例如,英国物理学家R.胡克等人。他们甚至猜测过,引力是和距离平方成反比的。牛顿的贡献是,令人无可怀疑地证明了地球和其他天体的引力确实是按照这个规律变化的。不过,完成这个证明却需要很长的时间。一个原因是当时所掌握的地球半径数据误差较大,从而使牛顿最初算出的月球绕地球运动的向心加速度和地面上重力加速度之比不符合与距离平方成反比的规律。直到1671年法国天文学家皮卡德测算得较精确的地球半径数据后,才有可能通过计算,证明使苹果落到地面的力量,也就是使月球沿轨道绕地球运行的力量。

  既已理解月球绕地球运行的问题,牛顿不难推想到地球绕太阳的运动也是受控于太阳引力的。其他行星与太阳的距离虽不同于地球,它们绕太阳的运动也必定是受它的引力支配。开普勒在牛顿之前曾经从观测的结果得出行星运动的三定律(见开普勒定律),但行星为什么要按这些规律运动,却未能作出解答。牛顿从数学上解答了这个问题。

  牛顿首先证明若要行星与太阳的联线在相等时间内扫过相等的面积,只需引力的方向是沿着行星与太阳的联线即可,不问引力大小与距离有什么关系。假如行星的轨道为一椭圆,而太阳处于椭圆的一焦点上,那么牛顿的数学推理能够证明引力的强弱必须同太阳和行星的距离的平方成反比。在绕日运行各行星的物质同样受到太阳引力影响的假设下,数学方法也足以证明开普勒的第三定律,即任何两颗行星周期的平方同它们轨道长轴的立方成正比。通过进一步的研究,牛顿发现了天体力学中的许多奥秘。他认识到不但大天体象太阳、地球、月球按平方反比律互相吸引,而且宇宙间的每个质点和其他质点间也是以平方反比律互相吸引的。从这假设出发,牛顿证明了任何层层均匀的球体,它对外的引力可以用同质量的质点放在它中心的位置来替代。

  牛顿还用万有引力原理说明了潮汐的各种现象,指出潮汐的大小不但同朔望有关系,而且同太阳的引力也有关系。牛顿还从理论上推测,地球的两极较扁,而岁差就是由于太阳对赤道突出部分的摄动而造成的。

  牛顿的天体理论的局限性在于,他把天体运动归之于起始推动力,归之于上帝。 牛顿的许多发现都收在他的不朽杰作《自然哲学的数学原理》一书中。该书于1687年问世。一个崭新的天文学分支──天体力学便由此而诞生了。

  参考书目

  塞耶编,上海外国自然科学哲学著作编译组译:《牛顿自然哲学著作选》,上海人民出版社,上海,1974。(H.S.Sayer ed.,Newton’s Philosophy of Nature Selections from his Writings,Hafner Publ.Co.,New York,1953.)

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