科学家的材料

祖冲之批

蒙克和他的党-子午线

伽利略-力学

牛顿引力

卢瑟福-原子模型

波尔-量子力学

哈勃宇宙膨胀理论

哥白尼-日心说

达尔文-进化论

年轻的牛顿

牛顿:1643 65438+10月4日，牛顿出生在英国林肯郡沃尔索普的一个农民家庭。牛顿是个早产儿，出生时只有三磅重。助产士和他的亲属担心他是否能活下来。谁也没想到，这个看似不起眼的小东西，会成为科学的巨人，并且活到85岁。

牛顿出生前三个月，父亲去世了。当他两岁时，他的母亲改嫁给了一名牧师，并把牛顿留给了他的祖母抚养。11岁那年，母亲的stephusband去世了，母亲带着与stephusband所生的一子二女回到了牛顿。牛顿从小沉默寡言，性格倔强，这可能来自于他的家庭情况。

大约从五岁开始，牛顿被送到公立学校。牛顿少年时并不是神童。他资质一般，成绩一般，但他喜欢看书，看介绍各种简单机械模型制作方法的书，受其启发自己动手制作一些稀奇古怪的小玩意，比如风车、木钟、折叠灯笼等等。

传说年轻的牛顿在彻底了解风车的机械原理后，制作了一个磨坊的模型。他把老鼠绑在一个有轮子的跑步机上，然后在轮子前面放一个玉米，正好放在老鼠够不到的地方。老鼠想吃玉米，所以一直跑，所以轮子一直转；又一次，当他放风筝时，他在绳子上挂了一盏小灯。晚上，村民们惊讶地发现一颗彗星出现了。他还做了一个小水钟。每天早上，小水钟都会自动往他脸上滴水，催他起床。他还喜欢绘画和雕刻，尤其是雕刻日晷。他的日晷被放在他房子的角落和窗台的每个地方，以观察日影的运动。

牛顿在12岁时进入离家不远的格兰瑟姆中学。牛顿的母亲曾希望他成为一名农民，但牛顿本人无意如此，而且热爱阅读。随着年龄的增长，牛顿越来越喜欢阅读、冥想和做小的科学实验。在格兰瑟姆中学读书时，他住在一个药剂师家里，这使他受到化学实验的影响。

牛顿在中学的学习成绩并不突出，但他就是爱读书，对自然现象很好奇，比如颜色，四季的运动，尤其是几何，哥白尼的日心说等等。他还分门别类地做读书笔记，喜欢做精巧的小玩意、小把戏、发明和实验。

当时英国社会弥漫着基督教新思想，牛顿家有两个亲戚都是牧师，这可能会影响牛顿晚年的宗教生活。从这些平凡的环境和活动中，我们看不出牛顿是一个天赋出众的孩子。

后来生活所迫，母亲让牛顿休学在家务农养家。但是牛顿一有机会就埋一本书，以至于经常忘记工作。每次，当他的母亲告诉他和仆人一起去市场，熟悉贸易业务时，他就恳求仆人独自去购物，而他则躲在树后看书。有一次，牛顿的叔叔起了疑心，跟着牛顿来到了上市镇。他发现他的侄子伸开四肢躺在草地上，全神贯注于一道数学题。牛顿勤奋好学的精神感动了他的叔叔，于是他说服母亲让牛顿回到学校，并鼓励他上大学。牛顿回到学校，从书本中汲取营养。

多年的学习

161年，19岁的牛顿以减免学费的学生身份进入剑桥大学三一学院，通过为学院做杂务来支付学费，1664年成为奖学金获得者，1665年获得学士学位。

17世纪中期，剑桥大学的教育体系仍然弥漫着浓厚的中世纪经院哲学气息。牛顿进剑桥的时候，还有一些经院哲学的课程，比如逻辑学、古文、语法、古代史、神学等等。两年后，三一学院出现了新气象。卢卡斯创造了一个独特的讲座，规定要教授自然科学知识，如地理、物理、天文、数学等。

讲座的第一位教授艾萨克·巴罗是一位博学的科学家。这位学者眼光独到，看出牛顿具有深刻的观察力和敏锐的理解力。于是他把自己所有的数学知识都教给了牛顿，包括计算曲线图形面积的方法，把牛顿引向了现代自然科学的研究领域。

在此期间的学习中，牛顿掌握了算术和三角学，阅读了开普勒的《光学》，笛卡尔的《几何与哲学原理》，伽利略的《两个世界体系的对话》，胡克的《微观地图集》，以及英国皇家学会的历史和早期哲学期刊。

牛顿在巴罗门下的时期是他研究的关键时期。巴罗比牛顿大12岁。他擅长数学和光学。他非常欣赏牛顿的才华，认为牛顿的数学比自己好。后来牛顿回忆说:“巴罗博士当时教授运动学方面的课程，也许正是这些课程促使我研究这个问题。”

当时牛顿很大程度上依靠自学数学。他研究了欧几里得的《几何原本》、笛卡尔的《几何》、沃利斯的《无穷算术》、巴罗的数学讲义以及许多数学家的作品。其中笛卡尔的《几何》和沃利斯的《无穷算术》对牛顿产生了决定性的影响，使牛顿迅速走向了当时数学的前沿——解析几何和微积分。1664年，牛顿被选为巴罗的助手，第二年，剑桥大学理事会通过了授予牛顿学士学位的决定。

1665年到1666年，严重的瘟疫席卷伦敦，剑桥离伦敦不远。因为害怕，学校停课，牛顿在1665年6月离校回家。

因为牛顿在剑桥受到数学和自然科学的影响和熏陶，对探索自然现象产生了浓厚的兴趣，家乡安静的环境让他的思想展翅飞翔。从1665到1666的短暂时期，成为牛顿科学生涯的黄金时代。他在自然科学领域充满了思考，才华横溢，生成性强，思考着前人未曾思考过的问题，踏入了前人未曾涉足的领域，创造了前所未有的惊人成就。

1665年初，牛顿创立了级数的逼近方法和任意次幂的二项式化为级数的规律；同年6月165438+10月，正流水号法(微分)成立；次年(65438+10月)用棱镜研究色彩理论；5月份开始研究反流数法(积分)。这一年间，牛顿开始想到研究引力，想把引力理论推广到月球轨道上。他还从开普勒定律推导出，使行星保持在轨道上的力一定与它们离旋转中心的距离的平方成反比。牛顿看到苹果落地才意识到万有引力的传说，也是这个时候发生的奇闻。

总之，牛顿在家乡的两年时间里，以比以往更旺盛的精力从事科学创造，关心自然哲学。他的三大成就:微积分、万有引力和光学分析都是在这个时候构思和形成的。可以说，此时的牛顿已经开始描绘他一生中大多数科学创造的蓝图。

1667年复活节后不久，牛顿回到剑桥大学。10年6月1日当选三一学院专科合伙人，次年3月16日获得硕士学位，同时成为专科合伙人。1669，10年10月27日，巴罗为了帮助牛顿，辞去了教授的职务。26岁时，牛顿晋升为数学教授，并担任卢卡斯讲座教授。巴罗为牛顿的科学生涯铺平了道路。如果没有牛顿叔叔和巴罗的帮助，牛顿这匹千里马可能不会在科学的道路上驰骋。巴罗让位给智者，这在科学史上被传为佳话。

伟大的成就~建立微积分

在牛顿的所有科学贡献中，数学成就占据着突出的地位。他数学生涯中的第一个创造性成就是二项式定理的发现。据牛顿自己回忆，他是在1664和1665年冬天学习沃利斯博士的《无穷算术》时，试图修改他的求圆面积系列时发现这个定理的。

笛卡尔的解析几何将描述运动的函数关系对应到几何曲线上。牛顿在老师巴罗的指导下，在学习笛卡尔解析几何的基础上，找到了新的出路。任意时刻的速度都可以看作是一个小时间范围内的平均速度，是一个小距离与一个时间间隔的比值。当这个小时间间隔缩小到无穷大时，就是这个点的精确值。这就是差异化的概念。

求导相当于求时间和距离的关系在某一点的正切斜率。变速运动物体在一定时间范围内所行进的距离，可以看作是在一个很小的时间间隔内所行进距离的总和，这就是积分的概念。积分相当于求时间和速度关系曲线下的面积。牛顿从这些基本概念中建立了微积分。

微积分的建立是牛顿最杰出的数学成就。牛顿创立这个与物理概念直接相关的数学理论，就是为了解决运动的问题。牛顿称之为“流量计数”。它所处理的一些具体问题，如切线问题、求积问题、瞬时速度问题、函数的最大值和最小值问题，在牛顿之前已经有人研究过了。但是牛顿超越了他的前辈。他从更高的角度，将过去零散的努力整合起来，将古希腊以来解决无穷小问题的各种技巧统一为两种普通算法——微分和积分，并建立了这两种运算的互逆关系，从而完成了微积分发明中最关键的一步，为现代科学的发展提供了最有效的工具，开辟了数学的新时代。

牛顿没有及时发表微积分的研究成果。他研究微积分的时间可能比莱布尼茨早，但莱布尼茨采用的表述更合理，微积分方面的著作发表的时间也比牛顿早。

牛顿和莱布尼茨之间，在争论谁是这门学科的创始人时，其实引起了轩然大波。这种争吵在各自的学生、支持者和数学家中持续了很长时间，造成了欧洲大陆数学家和英国数学家的长期对立。英国数学有一段时间闭关锁国，受限于民族偏见，过于拘泥于牛顿的“流量计数”，所以数学的发展落后了整整一百年。

应该说，一门科学的建立，绝不是一个人的成就。必须经过很多人的努力和大量成果的积累，由一个人或几个人来完成。微积分也是如此，是牛顿和莱布尼茨在前人的基础上独立建立起来的。

1707年，牛顿的代数讲义整理出版，命名为《普通算术》。他主要讨论了代数的基础及其在解决各种问题中的应用。该书陈述了代数的基本概念和运算，用大量的例子说明了如何将各种问题转化为代数方程，并对方程的根和性质进行了深入的探讨，从而在方程理论方面取得了丰硕的成果。比如他画出了方程的根与其判别式的关系，指出可以利用方程的系数来确定方程根的幂和，即牛顿的幂和公式。

牛顿对解析几何和综合几何都有贡献。在1736出版的《解析几何》中，他引入了曲率中心，给出了闭线圆(或曲线圆)的概念，提出了曲率公式和曲线的曲率计算方法。并将自己的许多研究成果总结成专著《三次曲线的计数》，发表于1704。此外，他的数学工作涉及数值分析、概率论、初等数论等多个领域。

伟大的成就~光学的三大贡献

在牛顿之前，墨子、培根、达芬奇等人都是研究光学现象的。反射定律是人们早就知道的光学定律之一。现代科学兴起时，伽利略通过望远镜发现了“新宇宙”，震惊世界。荷兰数学家斯冷笑首先发现了光的折射定律。笛卡尔提出了光的粒子...

牛顿和他同时代的人，如胡克和惠更斯，也像伽利略和笛卡尔一样，以极大的兴趣和热情研究光学。1666年，牛顿在家休假时，得到了一个棱镜，他用这个棱镜做了著名的色散实验。一束太阳光通过棱镜后，被分解成几种颜色的光谱带。牛顿用狭缝挡板挡住了其他颜色的光，只让一种颜色的光通过第二个棱镜，结果只有同色的光。就这样，他发现了白光是由不同颜色的光组成的，这是第一个重大贡献。

为了验证这一发现，牛顿试图将几种不同的单色光组合成白光，并计算出不同颜色光的折射率，准确地解释了色散现象。物质的颜色之谜被解开了。原来，物质的颜色是不同颜色的光在物体上的反射率和折射率不同造成的。公元1672年，牛顿在《皇家学会哲学杂志》上发表了他的研究成果，这是他发表的第一篇论文。

许多人研究光学是为了改进折射望远镜。牛顿发现了白光的构成，认为折射式望远镜镜片的色散现象无法消除(后来有人用不同折射率的玻璃制成的镜片消除了色散现象)，于是设计制造了反射式望远镜。

牛顿不仅擅长数学计算，而且能够自己制作各种实验设备，做精细的实验。为了制作望远镜，他设计了研磨抛光机，试验了各种研磨材料。1668年，他做出了第一台反射式望远镜样机，这是第二大贡献。1671年，牛顿将改进后的反射式望远镜赠送给皇家学会，这使他名声大振，当选为皇家学会会员。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。

同时，牛顿还进行了大量的观测实验和数学计算，如研究惠更斯发现的冰川石的异常折射现象、胡克发现的肥皂泡的颜色现象、牛顿环的光学现象等等。

牛顿还提出了光的“粒子说”，认为光是由粒子形成的，走最快的直线运动路径。他的“粒子论”和惠更斯的“波动论”后来形成了关于光的两个基本理论。此外，他还制作了牛顿色轮和其他光学仪器。

伟大的成就~建造力学大楼

牛顿是经典力学理论的大师。他系统地总结了伽利略、开普勒和惠更斯的工作，得到了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律。

在牛顿之前，天文学是最突出的学科。但是为什么行星一定要按照一定的规律绕太阳运行呢？天文学家无法完全解释这个问题。万有引力的发现表明，天上的星星和地上的物体的运动受同一规律支配——力学规律。

早在牛顿发现万有引力定律之前，很多科学家就已经认真考虑过这个问题。例如，开普勒意识到一定有一种力在起作用，使行星沿着椭圆轨道运行。他认为这种力类似于磁力，就像磁铁吸引铁一样。1659年，惠更斯通过研究钟摆的运动发现，需要一个向心力来保持物体在圆形轨道上运动。胡克等人认为是引力，并试图推导出引力与距离的关系。

1664年，胡克发现当彗星接近太阳时，由于太阳的引力，它们的轨道是弯曲的。1673年，惠更斯推导向心力定律；1679年，胡克和哈雷从向心力定律和开普勒第三定律推导出维持行星运动的引力与距离的平方成反比。

牛顿自己回忆说，1666左右，他在家乡生活的时候就已经考虑过引力的问题。最著名的一句话是，牛顿经常在假期里在花园里坐一会儿。一次，就像以前发生过很多次一样，一个苹果从树上掉了下来...

一个苹果的意外落地，是人类思想史上的一个转折点，打开了坐在花园里的人的思维，引发他沉思:所有物体几乎都被地心吸引的原因是什么？牛顿沉思着。最后，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。

牛顿的高明之处在于，他解决了胡克等人无法解决的数学论证问题。1679年，胡克写信给牛顿，问他能否根据向心力定律和引力与距离的平方成反比定律证明行星在椭圆轨道上运动。牛顿没有回答这个问题。1685年，哈雷拜访牛顿的时候，牛顿已经发现了万有引力定律:两个物体之间存在引力，与距离的平方成反比，与两个物体质量的乘积成正比。

当时有地球半径、日地距离等精确数据可供计算。牛顿向哈雷证明了地球引力是使月球绕地球运动的向心力，也证明了行星运动在太阳引力作用下符合开普勒运动三定律。

在哈雷的催促下，1686年底，牛顿写出了划时代的巨著《自然哲学的数学原理》。皇家学会资金短缺，无法出版这本书。后来，科学史上最伟大的著作之一在哈雷的支持下于1687年出版。

在这本书里，牛顿从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)和基本定律(运动三定律)出发，不仅从数学上论证了万有引力定律，而且将经典力学确立为一个完整而严密的体系，将天体力学与地面物体力学统一起来，实现了物理学史上的第一次大综合。

站在巨人的肩膀上

牛顿的研究领域非常广泛。除了在数学、光学、力学方面做出突出贡献外，他还在化学实验上花费了大量精力。他经常在实验室呆六个星期，夜以继日地工作。他在化学上花了很多时间，但几乎没有取得什么显著的成就。为什么同样伟大的牛顿在不同的领域差别如此之大？

原因之一是各个学科处于不同的发展阶段。在力学和天文学方面，在伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的努力下，牛顿可能用准备好的材料建造一座宏伟的力学大厦。正如他自己所说，“如果我看得远，那是因为我站在巨人的肩膀上”。在化学上，因为没有开辟出正确的道路，牛顿去不了他能砍材料的地方。

牛顿生前这样总结自己的人生道路:“我不知道在别人眼里我是一个什么样的人；但在我自己看来，我就像一个在海边玩耍的孩子，时不时地为找到一块比平时更光滑的鹅卵石或一个比平时更漂亮的贝壳而沾沾自喜，却没有找到摆在我面前的浩瀚的真理海洋。"

这当然是牛顿的谦逊。

怪异的牛顿

牛顿不擅长教学。他教新发现的微积分，学生接受不了。但他解决难题的能力远超常人。当他还是学生的时候，牛顿发现了一种计算无穷大的方法。他用这个秘密的方法把双曲面积计算到250位数。他曾经花高价买了一个棱镜作为科学研究的工具，用它来测试白光分解成彩色光。

起初，他不想发表他的观察结果。他的发现只是个人的消遣，为了在安静的研究中自娱自乐。他一个人在自己创造的超级世界里游荡。后来，在好友哈雷的劝说下，他勉强同意发表自己的手稿，划时代的巨著《自然哲学的数学原理》问世了。

作为一名大学教授，牛顿经常忙得不修边幅。他经常不系领带、吊袜带和马裤就走进大学餐厅。有一次，他向一个女生求婚的时候，又走神了，只记得无穷二项式定理。他抓住女孩的手指，误以为是管子，强行塞进管子，导致女孩尖叫着离开了他。牛顿因此从未结婚。

牛顿不慌不忙地观察日常生活中的小事，做出了科学史上的重大发现。他很邋遢，开了很多玩笑。有一次，他一边看书，一边煮鸡蛋。当他打开锅想吃鸡蛋时，发现锅里有一块怀表。还有一次，他请一个朋友吃饭。饭做好了，牛顿突然想到一个问题，独自走进里屋。朋友等了他很久，还是没见他出来，朋友就自己把鸡全吃了，没说再见就把鸡骨头留在了盘子里。牛顿想起来了，就出来发现了盘子里的骨头。他认为他已经吃了他们，所以他转身回到里屋继续研究他的问题。

牛顿的晚年

但由于时代的局限，牛顿基本上是一个形而上学的机械唯物主义者。他认为运动只是机械力学的运动，是空间位置的变化；宇宙和太阳一样，没有发展变化；由于万有引力，这颗星总是处于固定的位置...

随着科学声望的提高，牛顿的政治地位也得到了提高。1689年在国民议会当选大学代表。作为一名国会议员，牛顿逐渐开始疏远给他带来巨大成就的科学。时不时的表达对他所代表的领域的厌恶。与此同时，他花了大量时间与胡克、莱布尼茨等当代著名科学家争论科学的优先性。

牛顿晚年在伦敦过着辉煌的生活。1705年，他被安妮女王封为贵族。牛顿在这个时候非常富有，被普遍认为是在世的最伟大的科学家。他曾担任英国皇家学会主席。在位的二十四年间，他以铁腕统治社会。没有他的同意，任何人都不能当选。

晚年，牛顿开始致力于神学研究。他否认哲学的指导作用，虔诚地信仰上帝，埋头撰写神学方面的著作。他在遇到莫名其妙的天体运动时，提出了“上帝第一推动力”的谬论。他说:“真主统治万物，我们是他的仆人，所以我们敬畏他。”。

1727年3月20日，伟大的艾萨克·牛顿去世了。像许多其他杰出的英国人一样，他被安葬在威斯敏斯特教堂。他的墓碑上刻着:

让人们为这样的伟人欢呼。

人类的荣耀曾经存在于世间。