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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 專業(yè)學科區(qū) » 物理 » 物理學史&新聞 » 物理學與物理學家們
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完整版見： http://www.openlab.net.cn/forums/threads/2166440.aspx 物理學與物理學家們(1)——牛頓 天降牛頓 滄海月明夜， 萬物匿其形， 天公降牛頓， 處處皆光明。 公元1642年大概是整個物理學史上最為出名的一年，但這一點在當時只怕并不能為英格蘭東部林肯郡一個名叫沃爾斯索普的小村里的居民能認識到。其時正值圣誕節(jié)前夜，風雪之中一位村婦行色匆匆地趕往醫(yī)生家中，她在胸口不停地劃著十字，嘴中還在叨念，那個牛頓家的早產兒不知道怎么到底怎么樣了？ 她在村里干了多年的接生婆，卻從來沒有見過如此瘦小的嬰孩，那個孩子象貓兒一樣蜷在母親的懷抱里，甚至一品脫的杯子就可以把他盛下。孩子剛出世的時候緊閉小嘴，臉色鐵青，幸好邊上有一位醉醺醺的神父，他情急之下把一杯烈酒潑灑在嬰兒身上，孩子才猛醒一般大聲哭叫起來。 事隔多年之后，神父猶為當年的急智洋洋得意，因為他拯救的哪里是個病懨懨的小生命，而是世界上最偉大的人。 伊薩克·牛頓靜悄悄地來到人世的這一年，正趕上大物理學家迦利略的去世。這對剛復興的物理學來說無疑是一沉重的打擊，何況迦利略臨死前不久還被人拖到宗教法庭上伏法認罪，知者無不心寒。這位德高望重的領袖一去，整個物理學不免顯得蕭索起來，很長一段時間都沒有什么進展，世界仍是迷霧重重，也許大家都在等待那個撥開迷霧的人。 但小牛頓是不知道這些的，他從來不知道迦利略是誰。對他來說最快樂的事情莫過于坐在河邊看磨房風車的轉動，或者水中小魚的游蕩。 他不愿意回家。說起來這個孩子的身世頗為凄慘，他出生前的三個月父親就去世了，而后他母親又改嫁到一個名叫史密斯的牧師家中。這位牧師面慈心狠，經常虐待牛頓不說，還不讓他見母親的面，后來幾個弟妹的相繼出世使得牛頓在家中更無地位可言。 在學校里牛頓也并沒有討到老師的喜歡，各門功課差得一塌糊涂，而且由于身形瘦小，成為諸多頑童欺負的對象。小牛頓生性內向，在外人面前很是靦腆，縱使受了欺侮也很少回擊，他只喜歡和班上的女孩子來往，經常制作一些小玩偶之類的玩具送給她們。 有一次牛頓精心模仿磨房里的風車制作了一個模型，他得意地拿到班上炫耀，這是他難得開心的時刻，但班上那個成績最好的學生反問了他一句，你知道風車是怎么轉起來的么，老實的牛頓立時目瞪口呆。 哄笑聲中那個成績好的孩子將風車扔在地上踩個稀爛，牛頓再也忍不住了，他憤怒地拔拳相向，那個孩子雖然比他高一大截，但在牛頓凌厲的攻勢之下無招架之力。事后牛頓跑到小河邊痛哭了一場，他發(fā)誓今后一定要出人頭地。 這件事對牛頓的影響極深，直到他晚年仍不時地提及。自此之后，牛頓門門功課都是全優(yōu)，所有的老師和學生都是刮目相看。牛頓除了學習成績驚人以外，課外他更喜歡動手制作一些新發(fā)明。 此時牛頓作為天才物理學家的能力已經顯現出來，一次他觀察到自己身體的影子隨著太陽的轉動長短發(fā)生了變化，就萌生了制作日晷的念頭。他在家中大門上畫滿了刻度，隨眼一瞥就能報出準確到分鐘的時間，與教堂里的大掛鐘別無二致。后來教堂里的鐘出了問題，村里人干脆就拿牛頓的太陽鐘做標準時間，一直用到牛頓逝世后幾十年。 18歲那年，牛頓終于得嘗所愿，來到了著名的劍橋大學三一學院，當時的大學大多帶有神學院的性質，三一學院的院名也是借指神學上的圣父，圣子，圣靈的三位一體。 牛頓對宗教的興趣大概也是始于劍橋，但他最喜歡的還是物理和數學。在大學里牛頓仍是性格孤僻，很少與人交往，早在讀中學的時候他就發(fā)現自己的智力高得和普通學生不可同日而語，現在到了英國的最高學府，情況卻沒有什么變化。 同學們之間的話題他從來沒有興趣參與，而指導老師普雷因教授也整天只是忙著招募弟子。當時教授們的收入完全來自學生們的學費，也無怪普雷因教授一連招收了五六十名弟子，幾乎落得人販子的美名。 老師根本沒時間指導牛頓，遑論能有心思回答他那些精靈古怪的問題了，最后普雷因教授干脆列了一個書單，上面都是自古流傳的經典名作，內容涉及到數學，哲學，宗教等等，在這幾年里牛頓的任務就是把它們讀完就算了結了學業(yè)。 此法果然奏效，牛頓再也沒來找過他，而是埋頭到那些書目之中。他一邊讀書一邊作筆記，上面寫滿了他對各類科學問題驚世駭俗的看法。無論誰看了，都決不能相信這居然出自一個二十多歲的年青人之手，直到今天牛頓的這些手稿還在被一些史學家，科學家細細研究。 在劍橋大學里唯一能讓牛頓動心的是著名的盧卡斯講座，這一講座是當時劍橋大學里唯一涉及到自然科學的講座，而且通常都是由最負名望的學者輪流主持，第一任執(zhí)掌教席的乃是巴羅教授。這位巴羅教授也算得上是一位奇才，十八歲便在三一學院獲得博士學位，他精通數學，還先后擔任過希臘文，哲學教授，被譽為整個歐洲最為出色的學者。 巴羅教授的報告牛頓開始是每場必聽，并且通常坐在最后一排。每當巴羅講到一些艱澀難懂的地方，經常會抽眼關注一下聽眾的表情，臺下人人神色凝重，即便是資深教授也會微微皺起眉頭，全場只有坐在后排的那個金發(fā)小個子嘴角微撇，一幅滿不在乎的神情。 更令巴羅驚異的是幾次報告之后卻見不到牛頓的人影，他索性直接在宿舍里找到了牛頓，原來牛頓竟認為他所講的已經喪失新意，根本聽之無趣。一番傾談之下，巴羅對牛頓極是看中。這個年青人聰慧過人，眼界高遠，學識水平遠出齊輩，尤其在數學上更是極負天資，很多復雜的定理公式在他手中如同兒戲。 然而當他無意中提到幾個簡單的幾何問題時，牛頓卻眨眨眼睛接不上話，細細盤問之下卻發(fā)現他居然根本不懂最簡單的歐氏幾何學。 當下巴羅大驚失色："你是怎么看懂笛卡兒的《幾何學》的？" 在剛才的談話中牛頓曾對當代數學大師笛卡兒的幾何學提出一些很是高明的見解。 不料牛頓更是滿臉狐疑："那是我沒事的時候翻著玩的，難道還先得學什么歐氏幾何不可么？" 巴羅低下頭去半晌無語，他深知笛卡兒著的那本幾何學極盡煩瑣之能事，其中不但充滿了晦澀的哲學術語，通篇公式之繁雜更是前所罕見，而眼前這位小伙子居然在絲毫不通基本幾何學的情況下居然能全盤理解，融會貫通，那不是天才是什么？嘿嘿，那位人販子普雷因教授，著實誤人不淺。 此后巴羅教授對牛頓更是青眼相加，有時候在盧卡斯講座講到精妙費解之處，就讓牛頓站出來侃侃而談，臺下聽眾盡多博學之士，然則這位年青人說理清澈，功力精湛，竟是誰也找不出毛病來。 一次，牛頓在講說之中靈感忽現，便當即連講帶寫展示了他的想法，其中的數學公式極是艱難，寫在黑板上便是極長的一串，牛頓面不改色，心腦并用，轉眼間就給出答案，包括巴羅在內的所有聽眾無不面面相覷，全場一片靜寂。 最后巴羅教授站了起來，緩緩道："伊薩克·牛頓，我不得不遺憾地告訴你，作為導師，我實在不能再教你什么了，"，然后把目光轉向其他聽眾"諸位，我提請你們注意一下，眼前的這位年青人終將執(zhí)掌盧卡斯教席，而他一旦執(zhí)掌，只怕教席的輪流制就此廢止了。" 巴羅教授畢竟是大有眼光的人物，在牛頓二十六歲那年就以教授的身份接掌盧卡斯教席，而且一直到他五十歲之后自愿放棄為止。 牛頓如此受巴羅教授的賞識倒也不僅靠他的天才。巴羅教授生平閱人無數，而劍大更是英才輩出，牛頓的天分固然是無與倫比，他的勤奮更是不作第二人想。 其實用勤奮這種字眼來形容牛頓還是太膚淺了，因為科學在他而言甚于生命。當時劍大的學生各個風流瀟灑，馬場，劇院，舞廳都少不了他們的身影，惟獨牛頓一人整日埋頭書桌，不與人交往，更遑論唱歌跳舞之類的活動。 巴羅教授的點撥使牛頓眼界大開，而他介紹給牛頓的歐幾里得所著的《幾何原本》一書更是讓牛頓明白了如何建立一套公理完備的科學體系。加強了基礎之后他抽空又把笛卡兒的幾何學從頭至尾看了一遍，找到了其中大量的錯誤，他簡直就象跟作者賽跑一般，一邊讀著書一邊就遠遠地超出了作者的水平。 一段時間里牛頓狂熱地迷上天文。其時的天文學經過多年積累，資料已頗為豐厚，尤其在大天文學家第谷的畢生努力下，整理出行星運動的極多數據。同屋的人曾懷疑牛頓是否有了什么毛病，幾天都不下床，只是捧著一大本資料看個沒完，有時苦思冥想，有時寫寫畫畫，手頭上沒紙便順手在墻上打起了草稿。 大家都知道牛頓一件事不完成勢必不會收工的，但從來沒見他如此艱難地沉迷在一道難題上，以他資質之高當世未必會有什么問題讓他如此費神。有人打趣地問他，難道你想做個占星士不成，牛頓 緊閉著嘴唇并不答話。 但是牛頓的學生生涯突然被意外地中斷了，那是一場席卷歐洲的大瘟疫，僅在倫敦一下子就死去了好幾萬人。學校里宣布停課，牛頓不得不轉到鄉(xiāng)下伍爾索普農莊里，這一住便是十八個月。 這一段隱居生活，多年以來一直是人們津津樂道的話題。誰也無法想象，天下竟有如此一個聰明的年青人，居然有如神助，能在如此短暫的時間里作出震撼世界的成績來。 村里人都知道那個劍橋的聰明人回來了，但誰也沒有見到他，牛頓始終都在屋后的那間小閣子里，唯一能表示他存在的便是小屋徹夜的昏黃燈光。 一個經典的傳說是當牛頓坐在樹下看書的時候，一只蘋果突然砸到他身上，這一司空見慣的現象卻引起了牛頓的深思，他認識到一定是一種引力在起作用，推而廣之，地球和月球，行星和太陽之間必然也存在類似的力，這便是牛頓發(fā)現萬有引力的經過。 如此一來，便似整個人類能有今天燦爛的文明倒似是兩個蘋果之功，其一便是伊甸園里的亞當和夏娃偷食的那一只，他們此后終被逐出伊甸園并得以繁衍眾生，其二便是砸在牛頓身上的那只，這一砸不僅砸出曠世第一靈感，自此人類的命運是大為改觀。 當然這只是戲說，但牛頓當真這十八月內幾乎完成了他一生中最重要的發(fā)現。 歷史上的牛頓不僅僅是作為大物理學家出現的，在數學的發(fā)展史上他也是舉足輕重的人物。而真正以數學大師身份出現的牛頓似乎只有他回到鄉(xiāng)下后的頭六個月，在這段時間里，他同時發(fā)明了二項式定理，無窮級數展開，微積分，無窮小概念和極限，尤其是微積分，幾乎決定了幾百年來數學的研究主流。 這些眼花繚亂的成果在當時而言即便是第一等的數學家花六個月時間未必能理解，一個并不以數學為職業(yè)的人居然輕松創(chuàng)造了出來，當真匪夷所思。 被冠以"輕松"二字，是因為牛頓只不過是為發(fā)展他的新物理找到一套工具而已，他也未必放在心上。牛頓瞄準的乃是宇宙中最普適的真理。 在此之前人們就如何描述垂直下落的物體，也知平拋物體的時候初速度越大拋得越遠，可是誰能把這和天上月亮和星星的運動聯想起來！九天之上的神界怎能同渾濁不堪的凡間同日而語呢，上帝難道也會圍著餐巾拿起刀叉享用早餐么？ 在英國鄉(xiāng)下一間昏暗的屋子里，一個年青人銳利的目光看穿了一切：又有什么不一樣呢？月球，行星運行的軌道方程和地上物體的是何其近似，一定是一種同樣的神秘因素在起作用，一種促使著物體互相吸引的因素，這就是萬物運動的根源所在。 夜已深了，伏案良久的牛頓終于直起身來，他默默地把手稿放入了柜里，這是牛頓一向的習慣，凡事不徹底弄清楚之前，決不輕易拿以示人的，萬有引力定理雖然神妙，但要確定它還需更詳盡的資料。他首先想到的便是在劍大讀書時曾瘋狂研讀過的天文資料，孰料當時很多記載都有誤，跟牛頓推演的結論差距甚大，他只得再次將手稿封入柜中，直到幾十年后天文觀測的數據被修正之后才取出發(fā)表。 但這震撼宇宙的第一思想就這樣在悄悄誕生在一個名不見經傳的年青人手中，牛頓終于可以安心地好好睡上一覺了 瘟疫之后，各大院校也陸續(xù)復課，此時的牛頓全然不似世界第一智者的形象，他照例是話不多說，人也不多交往，但他獲得了一大筆獎學金，生活著實改善了不少，再加上巴羅教授的鼎立提攜，他很快成為年輕一代學子中的佼佼者。 1668年，26歲的牛頓雙喜臨門，他一方面獲得發(fā)明了反射式望遠鏡，獲得極大的聲譽，另一方面終于開始執(zhí)掌了盧卡斯講座的教席。這種反射式望遠鏡不再是透鏡聚焦，而是利用球面鏡的反射來聚焦，這樣一來消除了色差現象，望遠鏡的分辨率和放大倍數都大為提高，四年之后牛頓單憑此項發(fā)明便當選為英國皇家學會會員。 反射望遠鏡的制作也證明牛頓確實是千年以來的第一奇才，為了發(fā)展出他新力學，什么都是親自動手，數學知識不夠便自創(chuàng)出一套來，觀測工具不夠先進便重新改進，什么都擋不住他的腳步。牛頓是既是第一等的思想大家，數學才能也是古今罕見，實驗的技術也獨步天下，即便就其作為一個工匠來看亦是身手不凡。 如此才華橫溢的牛頓卻自打跨入皇家學會的第一天便遭人嫉視，這當然與他本人的個性也是大有關聯。牛頓自幼雙親離棄，性格上多是偏激自負之處，言語不禁，得罪了不少人，而他偏又心胸狹窄，睚眥必報，若是有人觸犯了自己，便會遭至傾力報復，甚至不惜利用學術和行政（這是他晚年當上大官之后）的手段壓制。 和牛頓爭論最多的便是大他13歲同為皇家學會會員的羅伯特·胡克，此人亦是一位多才多藝的大物理學家，他發(fā)明了很多東西，諸如濕度計，量雨器，螺旋彈簧，萬向節(jié)等等，在物理學中物體的形變和外力成正比的胡克定理也是大大有名。他身世與牛頓也有相仿之處，妒忌心之強卻遠甚牛頓，他可不愿意看到這位初出茅廬的年青人就此大紅大紫，將自己的風頭壓了下去。 胡克首先找到的茬子是牛頓的反射望遠鏡，他以長輩的口吻對牛頓的新發(fā)明反射望遠鏡再三挑剔，并說如果給他時間他作出來的還要好的多。不僅如此，胡克還強扣著牛頓的論文不發(fā)表，硬說他的光學理論不值一哂。 生性要強的牛頓哪里受的了這個，一場大戰(zhàn)就此引發(fā)。這些年牛頓一直專注于光學的研究，戰(zhàn)火便從光學領域燃起，而這一戰(zhàn)便是六年之久。 開始二人還都僅囿于學術范圍，但很快胡克就相形見絀，他雖也是一位罕見的奇才，然而在博大精深的牛頓面前，他的才智也僅剩下一些微不足道的小技巧而已。胡克的數學功底相比牛頓不啻霄壤，很多實驗也是毛毛糙糙，漫不經心，而牛頓在學術上向來是兢兢業(yè)業(yè)，胡克的紕漏蔫能逃過牛頓那如炬目光，他甚至找出了胡克的看家法寶--顯微鏡原理的錯誤，并當眾公布了出來。 胡克羞惱之下，也糾集地當時全歐第一流的物理學家對牛頓的光學理論發(fā)難，其時牛頓的理論發(fā)軔未久，基礎薄弱，漏洞實多，因此牛頓一邊回擊，一邊迅速彌補了很多缺陷，為了替自己的觀點辯護，1675年他在實驗中發(fā)現了著名的牛頓環(huán)現象，這也是光學中極重要的一個發(fā)現。 后來牛頓和胡克之爭逐步演化為人身攻擊，這一點上他們也是棋逢對手，胡克言辭亢烈，牛頓用語尖刻，卻是誰也奈何不了對方。二人都被這場論戰(zhàn)弄得筋疲力盡，唯一得益的倒是光學本身，這幾年的發(fā)展乃是百年間最為迅速的。 孰料一波未平，一波又起，來自歐陸的大數學家萊布尼茲就微積分的發(fā)明權的問題要也和牛頓爭個高下。這場風波原是牛頓的好友，另一位數學家科林斯引發(fā)的。 當年萊布尼茲在數學上剛展露頭角，年少氣盛，便以外交使節(jié)的身份來到英國，名曰研究，實是挑戰(zhàn)，英國皇家學會派出的迎戰(zhàn)人員便是科林斯。這萊布尼茲極是了得，三言兩語便將他駁得體無完膚，科林斯焉能服氣，他拿出了牛頓鎖在柜中的手稿，上面都是牛頓數學思想的精華，比如二項式定理，流數法等。 萊布尼茲一看之下不免大驚失色，一聲不吭地就回了國�？屏炙构倘皇遣蝗枋姑脛龠�朝， 卻在學界留下一樁公案。幾年后萊布尼茲發(fā)表了世界上第一篇關于微積分的論文，在那篇不到六頁的文章里他采用了比牛頓高明的微積分符號，直到今天還被廣泛使用，但這卻也不能說不受當年牛頓手稿的啟發(fā)。 ...... 完整版見： http://www.openlab.net.cn/forums/threads/2166440.aspx [ Last edited by outspaceman on 2010-4-4 at 13:44 ] |
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