牛顿在科学方面的伟大成就有哪些

Question

如题所述

Answer 1

　　一、牛顿（Isaac Newton）简介

　　牛顿作为一心做学问的科学家，内心倾向请教，属于自然神论、以实验与定量分析科学相结合治学，以自己的实践进行了近代科学需要大综合和划时代飞跃、形成科学理论体系，它适应了新兴的资产阶级极其需要近代科学技术的波切需要，而成为近代科学的标志性理论体系的完成者和主要代表人物。

　　经历和著作：世界近代科学史上最著名的英国科学家和数学家，1664年毕业于剑桥大学三一学院，1668年在剑桥大学读完研究生课程，并且继巴罗担任卢卡锡讲座教授。1696年出任英国造币局监督，1699年任造币局局长，1703-1727年连五届任皇家学会主席。主要著作有《自然哲学的数学原理》、《光学》、<光学讲义>、《宇宙系统》和《月球理论》等，还有《古王国变迁史》。主要科学论文有“论分析”、“《级数和流数方法论著》”、《普通数学或数学结构与题解集》、《未发表的科学论文集》（A.R.Hall 编）。 还有被烧掉的《化学》书手稿，留下了千百万字的手稿。他也是近代科学革命成就的集大成者和做出决定性贡献的伟大科学家。他生于1643年1月4日（公历，按古罗马的儒略历应为1642年2月25日），死于1727年3月20日（公历），活了85岁。

　　主要贡献：牛顿在他的时代是一位几乎在各个学科领域都作出划时代贡献的，并集大成的划时代人物。尽管他的天才、勤奋和成就令至今的世人所敬仰，但是它毕竟受到历史条件的局限，因而为后代留下了广阔的发展空间。他奠定的理论力学、微积分、物质组成思想、光学实验发现和理论、万有引力定律、运动三定律、低速流体阻力定律、彗星理论、潮汐理论和宇宙系统论等都在各学科的历史上留下了划时代的和奠基性的巨大贡献。

　　成就的典型评价：
　　爱因斯坦在1927年几年牛顿逝世200周年时写道：“我觉得有必要在这样的时刻来纪念这位杰出的天才，在它以前和以后都还没有人像他那样决定着西方的思想、研究和实践的方向。他不仅作为某些关键性的方法的发民者来说是杰出的，而且他在善于运用他那是的经验材料上也是独特的，同时还对于史学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能。由于这些理由，它应当受到我们最深挚的尊敬”；关于牛顿的成就与爱因斯坦的成就相比较谁大谁小的问题，爱因斯坦本人早就作出回答。在他和英费尔德合写的《物理学的进化》一书中说：“科学的发展不是像毁掉一座仓库，在原地建设起一座仓库，而是像爬上一样，沿着一个个山头向上爬，爬得高了，看到起步小山还在那里，只不过显得矮些罢了”。

　　著名科学家卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）在1931年回答有人提问这个问题时说过：“今天有一种颇为流行的误解，即科学是由推翻以前建立的理论才前进的，但这是极少的情况。例如，时常有人说爱因斯坦的广义相对论推翻了牛顿在引力上的工作。真理再前进一步会变成缪误……就爱因斯坦的工作与牛顿的工作的关系而言，仅仅是它的基础的一种普遍的推广，一个伟大的真理不是可抛弃的，而是予以修改，以便将它放在更加广泛和稳固的基础之上……”。(A.S.Eve, Rutherord being ……,1939,p.)

　　生物物理学家、科学学奠基人和第一任世界和平理事会主席J.D.Bernal评价牛顿的《原理》说：“这部书坚持阐述了物理的说理，在全部科学史上是无与伦比的。就数学而论，只可以拿欧几里得的《几何原本》与它相比，就洞察物理的卓识和对思想上的影响而论，就只有达尔文的《物种起源》比得上它。这本书立即成为新科学的景点，这倒不是说他已到了作为正统学说的源泉的底部而受到崇敬--虽然多少有这种危险，特别在英国--而是说书中提到的种种方法可以作为以后推广的源泉而受到崇敬”。（贝尔纳，《历史上的科学》，1981，p.277）

　　二、牛顿科学思想的核心是粒子和力

　　他的物质观是原子论，原子论在科学上的应用就是原子-粒子-质点-质点系-重心-质心的概念。它的物质组成学说是多层次的粒子靠吸引力与排斥力的作用，而形成物质三态，以至万物。

　　数学上：几何点；物理上：质点和重心；化学上：粒子的结合和分解；天文学上：以质点代天体。

　　三、数学上的贡献

　　1. 1664年发明无限级数、收敛级数。
　　2. 1664-1665年发明用极限法做曲线的切线。
　　3. 1665年发明二项式定理

　　四、物理上的贡献

　　1. 基本概念：

　　2. 运动三定律

　　第一定律：不等同于伽利略惯性概念的发现。
　　第二定律：外加力与打破惯性运动的关系。牛顿的作用是发现 f∝m, f∝a, 所以f=ma. 这是为发现万有引力定律的需要才发现的，发现于1684年10月之后，早于万有定律发现2-3个月。
　　第三定律：由于研究物体之间相互作用的关系才发现的，适用于天体运动。

　　3.万有引力定律

　　4.光学上的成就

　　五、化学上的贡献

　　1. 采用大量实验方法研究化学作用，甚至自制仪器设备。自己带个助手作实验。兴起化学实验之风。
　　2.提出了很多的元素和化合物的化学符号，为John Dalton后来的工作的先导。
　　3.用物理的粒子组成学说和引力与斥力的观点研究物质组成：提出同种最小粒子--原子靠引力而结成不同层次较粒子和颗粒的学说，多达七层次以上，直到可见物体。
　　4.用引力大小说明物质的化合和分解、溶解和融解。材料的比重差异在于粒子精细程度的不同结合。并容易说明物质三态的变化和元素间的嬗变。
　　5.从粒子和力的观点提出无机物与生物之间的物质转化，以及精神的来源；他用电精（以太微粒子）的传递观点分析和说明感觉-神经-大脑-神经-肌肉-动作反应的传递机制，与今天的神经传递的钠、钾离子传递理论十分符合。他排除了心灵论、神创论和神经与肉体二元论，追求唯物的和科学的解决。
　　6.进行定量分析和置换关系的实验和测量：他在1692年已经认识到酸、碱、土之间存在既定数量的化合关系。
　　7.牛顿是继波义耳之后，在从炼金属向化学转化的过程中起了重大作用的人物，他逐步通过实验和用科学的粒子和力的观点，将对化合与分解的理解纳入科学的轨道。他的工作为摆脱神创论和炼金术中的迷信色彩起了关键的作用。

　　六、流体力学上的贡献

　　牛顿将他的《原理》第二卷献给了流体力学原理，他用实验和微积分分析对各种形状物体运动在静止的和低速的流体中产生阻力的研究，提出其阻力与速度的平方成比例。他提出了流体中抛射体和圆周运动体的运动阻力计算，弹性流体中脉冲运动速度与流体的弹性力和密度的平方分别成正、反比。这些工作为低速流体力学奠定了的理论和研究方法的基础。

　　七、开创了彗星理论、月球理论和宇宙系统论，发展了伽利略的潮汐理论

　　八、在科学和文化上的划时代贡献
　　1． 牛顿的科学理论将科学从中宗教神学和神创论的统治下较彻底地解放出来。
　　2． 将自然科学从自然哲学的思辨中分离出来。
　　3． 它奠定了近代理论物理和理论力学的基础，在前人静力学的基础上开创了动力学。
　　4． 在人类历史上首次用力学和运动原理，将天上和地上的规律统一起来，将“神创的”万象纳入科学的探索和理解的轨道。
　　5． 他发明的微积分人类历史上最伟大的数学发现之一，为近代科学的后来迅速大发展提供了最有力的数学工具。
　　6． 他集近代前期科学的大成，并做出很多学科划时代的、原创性的巨大贡献。
　　7． 他将实验、归纳和分析研究方法结合，运用分析与综合的数理方法，使机械论、因果轮系统化，成为近代科学方法的代表。
　　8． 牛顿的原子论物质观、科学的物质组成粒子说、动力学、引力相互作用，以及机械唯物论的方法论，对欧洲大陆和世界的科技界、教育界、文化界和政治界，产生重大影响。它通过法国的启蒙运动和百科全书学派，对法国大革命产生重大影响，一个科学家及其科学理论产生如此重大的社会影响，是古今所未有过的。
　　9． 牛顿的科学理论至今仍是各类学校课堂上必授的重要内容，是从建筑、桥梁到宇宙飞船、人造卫星设计及航空航天的主要理论和计算依据。它不但未过时和未被代替，而且发挥着空前的作用。

　　由于时代的局限性，牛顿的科学观和科学理论是用于宏观和低速运动的领域，现代科学在将它作为组成部分予以包容和发展。

Answer 2

牛顿（Isaac Newton，1643～1727）伟大的物理学家、天文学家和数学家，经典力学体系的奠基人。
牛顿的成就，恩格斯在《英国状况十八世纪》中概括得最为完整：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学”。（牛顿在建立万有引力定律及经典力学方面的成就详见本手册相关条目），这里着重从数学、光学、哲学（方法论）等方面的成就作一些介绍。
（1）牛顿的数学成就
17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，例如：如何求出物体的瞬时速度与加速度？如何求曲线的切线及曲线长度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小值（如近日点、远日点、最大射程等）、体积、重心、引力等等；尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就，但还不能圆满或普遍地解决这些问题。当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术（微分）和反流数术（积分），反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中，以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u等，“流数”就是流量的改变速度即变化率，写作等。他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时，他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利甩它还发现了其他无穷级数，并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号，从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。

微积分的出现，成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支——数学分析（牛顿称之为“借助于无限多项方程的分析”），并进一步进进发展为微分几何、微分方程、变分法等等，这些又反过来促进了理论物理学的发展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答，这是变分法的最初始问题，半年内全欧数学家无人能解答。1697年，一天牛顿偶然听说此事，当天晚上一举解出，并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说：“从这锋利的爪中我认出了雄狮”。
（2）牛顿在光学上的成就
牛顿的《光学》是他的另一本科学经典著作（1704年）。该书用标副标题是“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文”，集中反映了他的光学成就。
第一篇是几何光学和颜色理论（棱镜光谱实验）。从1663年起，他开始磨制透镜和自制望远镜。在他送交皇家学会的信中报告说：“我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜，以便试验那著名的颜色现象。为此，我弄暗我的房间……”接着详细叙述了他开小孔、引阳光进行的棱镜色散实验。关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡儿都认为白光纯洁均匀，乃是光的本色。“色光乃是白光的变种。牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的五色而是在红、黄、绿、蓝、紫色之间还有橙、靛青等中间色共七色。奇怪的还有棱镜分光后形成的不是圆形而是长条椭圆形，接着他又试验“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“将棱镜放在外边”再通过孔、“玻璃的不平或偶然不规则”等的影响；用两个棱镜正倒放置以“消除第一棱镜的效应”；取“来自太阳不同部分的光线，看其不同的入射方向会产生什么样的影响”；并“计算各色光线的折射率”，“观察光线经棱镜后会不会沿曲线运动”；最后才做了“判决性试验”：在棱镜所形成的彩色带中通过屏幕上的小孔取出单色光，再投射到第二棱镜后，得出核色光的折射率（当时叫“折射程度”），这样就得出“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非匀匀的混合体”。这个惊人的结论推翻了前人的学说，是牛顿细致观察和多项反复实验与思考的结果。

在研究这个问题的过程中，牛顿还肯定：不管是伽利略望远镜（凹、凸）还是开普勒望远镜（两个凸透镜），其结构本身都无法避免物镜色散引起起的色差。他发现经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大30～40倍。1671年他将此镜送皇家学会保存，至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构。牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法，至今仍是不少工厂光学加工的主要手段。
《光学》第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的“牛顿环”现象的各种实验。除产生环的原因他没有涉及外，他作了现代实验所能想到的一切实验，并作了精确测量。他把干涉现象解释为光行进中的“突发”或“切合”，即周期性的时而突然“易于反射”，时而“易于透射”，他甚至测出这种等间隔的大小，如黄橙色之间有一种色光的突发间隔为1／89000英寸（即现今2854×10－10米），正好与现代波长值5710×10－10米相差一半！

《光学》第三篇是“拐折”（他认为光线被吸收）即衍射、双折射实验和他的31个疑问。这些衍射实验包括头发丝、刀片、尖劈形单缝形成的单色窄光束“光带”（今称衍射图样）等10多个实验。牛顿已经走到了重大发现的大门口却失之交臂。他的31个疑问极具启发性，说明牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先作绝对的肯定。牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流，即由光源发出的速度、大小不同的一群粒子，在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性。由于当时波动说还解释不了光的直进，他是倾向于粒子说的，但他认为粒子与波都是假定。他甚至认为以太的存在也是没有根据的。

Answer 3

伊萨克。牛顿还是英国皇家造币厂厂长，年薪2000多英镑，是铸币大臣。