牛 頓

文:小罐子老師

 

艾薩克.牛頓(Sir Isaac Newton)

如果我比笛卡兒等人看得遠些,那是因為我站在巨人的肩上而已。

我不知道我呈現了什麼給這世界;但就我個人而言,我覺得我只是一個在海邊玩耍的孩童,把自己投入比平常所見更漂亮的貝殼與平滑的石子而已,但展現在我面前的是一片尚未被發掘的真理的海洋。」「我不知道我呈現了什麼給這世界;但就我個人而言,我覺得我只是一個在海邊玩耍的孩童,把自己投入比平常所見更漂亮的貝殼與平滑的石子而已,但展現在我面前的是一片尚未被發掘的真理的海洋。」

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小朋友,你知道誰是「現代科學之父」嗎?1.牛頓   2.立頓  3.柯林頓  4.華盛頓……是的,你答對了!就是牛頓!什麼??你不認得這個人!沒關係接下來看看小罐子老師的罐子裡賣什麼藥,你就會曉得了。

 

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Apple.gif (1910 bytes) 蘋果真的掉下來了?

許多書上都說,牛頓被掉下來的蘋果打中,所以才發現了「萬有引力」,這個故事恐怕只是一個傳說,未必是真的,不過在他住的房子西邊的庭院中間,確實種了一棵蘋果樹。英國人是非常執著於這個蘋果的故事,甚至於還可以將那棵樹指給好奇的遊客看,如果你到英國去,千萬不要和老外爭執這件事是真是假,畢竟作好國民外交,也是一件好事。

牛頓出生在英國一個叫做烏爾索坡的偏僻村落,那年是西元1642年,由於早產,從小就衰弱多病,沒有人寄望他能順利長大,但是他卻奇蹟似的存活下來。在他出生前,父親就過世了,母親在他3歲的時後改嫁。牛頓小時候被外婆撫養長大,個性有點孤僻、內向、害羞。牛頓小時候在學校的成績並不優秀,可是對於一切他不明白的事物都很感興趣,並且會不厭其煩的動手去做實驗,同時很有木刻模型及機械方面的天份,他還發明了水鐘、風車及燈籠等東西,可以說是一個『少年發明家』喔!

 

Apple.gif (1910 bytes) 牛頓的黃金時期

牛頓18歲時進入劍橋大學就讀,23歲從劍橋大學畢業後,當時由於黑死病蔓延,便躲回家鄉。在家鄉的這兩年(2325歲)是他這一生創造力最顛峰的時期,也奠定了他一生中三大發現-萬有引力光學微積分的重要基礎。

黑死病流行過後,牛頓重回劍橋大學。第二年,他的老師巴勞退休,牛頓接任數學講座教授的遺缺,正式成為劍橋大學的教授。

牛頓在1684年跟他的好朋友哈雷(不是無尾熊哈雷,是後來算出哈雷彗星週期,並以他的名字命名彗星的科學家哈雷、如右圖)解釋,如何用數學的方法,計算出行星的運動和橢圓形軌道。哈雷覺得牛頓的研究是很大的突破,馬上勸他將研究的原理公告世人,後來出版成為一本書,這本書就是《自然哲學的數學原理》,是科學史上空前偉大的著作,通常簡稱為《數學原理》

哈雷

 

Apple.gif (1910 bytes) 牛頓的《數學原理》

他的這本《數學原理》是自然科學史上的重要文獻,對自然科學和哲學都產生了廣泛而深遠的影響。在這本書內,牛頓提出並定義了一系列奠定力學基礎的基本概念,例如質量、慣性、力與向心力、絕對時間、絕對空間等。在這堣頓的經典力學還包括了天體力學的理論,研究行星的運動,月球的運動,潮汐,歲差和彗星的運動等。當然,最主要還是運動三大定律,或我們現在稱之為牛頓三大定律:

anim_rt.gif (971 bytes)第一定律慣性定律,簡單的說就是「除非有外在的力量加進去,要不然保持靜止的物體,會永遠保持靜止;沿一直線作相同速度運動的物體,也會一直持續不停的跑下去」。

就好像一顆球,你不去碰它,沒有風去吹它,它永遠不會動;但是你把它往前丟出去,如果沒有任何摩擦力、阻力,球也會一直往前跑,跑到天涯海角。

anim_rt.gif (971 bytes)第二定律簡單的說是「當物體受到外來的力量時,它會沿著這個力量的方向,加快速度運動,力量越大速度就越快」。

譬如:那顆球,如果你一直持續的推它,持續的把力量加給它,它是不是會越跑越快呢!

anim_rt.gif (971 bytes)至於牛頓第三定律是在說明:每一個施加於物體的力量,都會同時產生一個大小相等而且方向相反的反作用力。這定律也叫做「作用與反作用定律」。

譬如:當你拍打桌面時,同時桌面也會回送你一個相反的力量,所以你的手會痛。下次發脾氣拍打桌子時,就要記得小力一點了!

以上這些,全部都構成了牛頓的經典力學,為物理學帶來了全新的方向。

 

Apple.gif (1910 bytes) 萬有引力

牛頓另外還有一個偉大的發現,就是發現了萬有引力。事實上,萬有引力的概念早就有人發現並且提出來了。跟牛頓同時期的一些科學家,都曾經想要證明萬有引力的存在,可是,只有牛頓利用數學原理,證明萬有引力適用於一切物體,而且證明了地球上的重力與物體間的引力本質相同。從牛頓所確立的萬有引力之後,科學家可以輕易的解釋歲差、視差、潮汐、地球的形狀及彗星的運動等問題,甚至能推算出海王星的存在。

 

Apple.gif (1910 bytes) 牛頓的其他成就

牛頓會的不只有力學,對於光學,他也很有一套喔!牛頓在家鄉躲瘟疫的那段期間,還製造出堪稱當時最完美的望遠鏡,如果你有機會參觀現代最棒的望遠鏡,你會發現它的構造和當初牛頓做的沒什麼兩樣,牛頓很酷吧!

牛頓日夜從事研究的書桌,桌上放置的就是他發明的反射式望遠鏡

牛頓日夜從事研究的書桌,桌上放置的就是他自製的反射式望遠鏡

1704年,他出了一本叫做《光學:光的折射、反射、繞射和顏色》的書,這本書一出來,使他在科學界的地位更加崇高。1705年,他受封為英國的爵士,是第一個因為學術成就而獲得這種頭銜的科學家。

有很長一段時間牛頓對物理不感興趣,反而很喜歡研究化學和煉金術,因為他太過內向,所以都沒有公佈自己的化學實驗目的和結果。此外,牛頓也探討宗教事物,有許多關於宗教的作品,在他死後彙集出版。他也曾當選國會議員及擔任鑄幣局局長,1703年,當選為英國皇家學會的主席,這個職務一直擔任到他去世為止。牛頓逝世於1727年,享年83歲。

 

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Apple.gif (1910 bytes) 站在巨人的肩上

牛頓的物理學指導我們科學發展長達兩百多年,在二十世紀以前,人們以為牛頓的學說已經是物理學的頂峰,一切物理學的疑難都可以在他的學說中找到答案。但是,他的經典力學最後仍然被愛因斯坦的「相對論」修正了,現在物理學的發展也已經完全超越了他的學說內容;但是,牛頓提供了建立科學所需要的定理,促成了現代科學的誕生,你說,他是不是比任何人都偉大呢!