【物理学家】改变人们看待世界和宇宙方式的22位著名科学家——牛顿

您可能知道牛顿运动三定律，包括除非受到作用，否则物体将保持静止或匀速运动。但是你也知道他的万有引力理论允许英国人计算每颗行星的质量和地球的海洋潮汐吗？尽管阿尔伯特·爱因斯坦后来改进了他的一些理论，但牛顿仍然是历史上最重要的思想家之一。

有趣的是，牛顿的母亲试图让他在12岁时辍学成为一名农民。这个计划失败似乎是一件好事。

艾萨克·牛顿（Isaac Newton）是一位物理学家和数学家，他开发了现代物理学原理，包括运动定律，并被誉为17世纪科学革命的伟大思想家之一。

1687年，他出版了他最受赞誉的著作Philosophiae Naturalis Principia Mathematica（《自然哲学的数学原理》），该书被称为最有影响力的物理学著作。1705年，他被英格兰安妮女王封为爵士，成为艾萨克·牛顿爵士。

早年生活和家庭

1642.牛顿于1643年1月4日出生于英格兰林肯郡的伍尔索普。使用“旧”儒略历（Julian calendar），牛顿的出生日期有时显示为1642年12月25日。牛顿是当地一位富裕农民的独子，他的父亲在他出生前三个月就去世了。牛顿是一个出生时又小又虚弱的早产儿，人们预计他无法存活。

当他3岁时，他的母亲汉娜·艾斯考夫·牛顿（Hannah Ayscough Newton）再嫁给一位富裕的牧师巴纳巴斯·史密斯（Barnabas Smith），并与他同住，将年幼的牛顿留给他的外祖母。这段经历在牛顿身上留下了不可磨灭的印记，后来表现为一种强烈的不安全感。他焦虑地沉迷于他出版的作品，用非理性的行为来捍卫它的优点。

12岁时，牛顿在母亲的第二任丈夫去世后与母亲团聚。她带来了第二次婚姻中的三个年幼孩子。

牛顿的教育背景

牛顿就读于林肯郡格兰瑟姆镇的国王学校，在那里他住在当地的一家药剂师那里，并被介绍给迷人的化学世界。

他的母亲在他12 时让他辍学。她的计划是让他成为一名农民，让他照料农场，但是他发现农业单调乏味。牛顿很快被送回国王学校完成基础教育。

也许是察觉到这个年轻人与生俱来的智力，他的叔叔（毕业于剑桥大学三一学院）说服牛顿的母亲让他进入大学。牛顿在1661年参加了一个类似于勤工俭学的计划，做餐桌上侍应生并打理较富裕学生的房间。

科学革命

当牛顿来到剑桥时，17世纪的科学革命已经全面展开。天文学家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）和约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）提出宇宙日心说，后来由伽利略（Galileo）改进，在大多数欧洲学术界广为人知。

哲学家勒内·笛卡尔（René Descartes）已经开始将自然界构建为一种复杂、非个人化和惰性的机器的新概念。然而，与欧洲的大多数大学一样，剑桥大学沉浸在亚里士多德哲学和基于宇宙地心说的自然观之上，以定性而不是定量的方式处理自然。在剑桥的头三年里，牛顿学习的是标准课程，但对更先进的科学着迷。他所有的业余时间都花在阅读现代哲学家的书上。结果表现并不出色，但考虑到他的双重学习课程，这是可以理解的。

正是在这段时间里，牛顿保留了第二组笔记，题为“Quaestiones Quaedam Philosophicae”（“某些哲学问题”）。“Quaestiones”揭示了牛顿发现了新的自然概念，它为科学革命提供了框架。虽然牛顿毕业时没有获得任何荣誉，但他的努力为他赢得了学者的称号，并为未来教育提供了四年的经济支持。

1665年，肆虐欧洲的腺鼠疫来到剑桥，迫使大学关闭。两年的中断后，牛顿于1667年回到剑桥，并被选为三一学院的初级研究员，因为他仍然不被认为是一位杰出的学者。

在接下来的几年里，他的运气有所改善。牛顿于1669年获得文学硕士学位，当时他27岁。在此期间，他发现了Nicholas Mercator出版的关于处理无限级数的方法的书。牛顿很快写了一篇论文De Analysi，阐述了他自己更广泛的结果。他与朋友兼导师艾萨克·巴罗（Isaac Barrow）分享了这一点，但没有包括他的名字作为作者。

1669年6月，巴罗与英国数学家约翰·柯林斯（John Collins）分享了这份未经认可的手稿。1669年8月，巴罗向柯林斯指出其作者是“牛顿先生......非常年轻......而是在这些事情上具有非凡的天才和熟练程度。

牛顿的工作首次引起了数学界的注意。不久之后，巴罗辞去了他在剑桥的卢卡斯教授职位（Lucasian professorship），牛顿担任了主席。

牛顿的发现

牛顿在光学、运动和数学方面都有发现。牛顿推测，白光是光谱中所有颜色的复合体，而光是由粒子组成的。

他的重要物理学著作《原理》包含了除能量之外几乎所有物理学基本概念的信息，最终帮助他解释了运动定律和引力理论。牛顿与数学家戈特弗里德·威廉·冯·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm von Leibniz）一起因发展微积分的基本理论而受到赞誉。

牛顿的发明

牛顿的第一个重大公共科学成就是在1668年设计和建造了一台反射望远镜。作为剑桥大学的教授，牛顿被要求每年讲课，并选择光学作为他的初始主题。他用望远镜研究光学，并帮助证明他的光和色理论。

皇家学会于1671年要求演示他的反射望远镜，该组织的兴趣鼓励牛顿在1672年发表了他关于光、光学和色彩的笔记。这些笔记后来作为牛顿的Opticks：Or，A treatise of the Reflections，Refractions，Inflections and Colours of Light的一部分出版。

苹果神话

1665年至1667年间，牛顿从三一学院回到家中继续他的私人研究，因为学校因大瘟疫而关闭。传说，此时，牛顿通过坠落的苹果体验了他著名的万有引力灵感。根据这个常见的神话，牛顿当时正坐在一棵苹果树下，一个水果掉下来，砸在他的头上，激发了他突然想出万有引力理论。

虽然没有证据表明苹果真的击中了牛顿的头部，但他确实看到了一个苹果从树上掉下来，这让他想知道为什么苹果会直接掉下来，而不是以一个角度掉下来。因此，他开始探索运动和引力理论。正是在这18个月的学生休学期间，牛顿构思了许多最重要的见解，包括无穷小微积分方法、光和颜色理论的基础以及行星运动定律，最终导致了他的物理学著作《原理和他的引力理论》的出版。

牛顿运动定律

1687年，经过18个月的紧张而有效的不间断工作，牛顿出版了Philosophiae Naturalis Principia Mathematica（《自然哲学的数学原理》），通常被称为Principia。据说Principia是物理学乃至所有科学领域最具影响力的一本书。它的出版立即使牛顿在国际上声名鹊起。

Principia提供了对运动中物体的精确定量描述，其中包含三个基本但重要的运动定律：

• 第一定律

除非对其施加外力，否则静止的物体将保持静止。

• 第二定律

力等于质量乘以加速度，运动的变化（即速度的变化）与施加的力成正比。

• 第三定律

对于每个动作，都有一个相等和相反的反应。

牛顿和引力理论

牛顿在《原理》中概述的三个基本运动定律帮助他得出了他的引力理论。牛顿万有引力定律指出，两个物体以与它们的质量成正比的引力相互吸引，与它们中心之间距离的平方成反比。这些定律不仅有助于解释椭圆行星轨道，还有助于解释宇宙中的几乎所有其他运动：行星如何通过太阳引力的引力保持在轨道上;月球如何围绕地球旋转，木星的卫星如何围绕地球旋转;以及彗星如何在围绕太阳的椭圆轨道上旋转。

它们还允许他计算每颗行星的质量，计算地球在两极的平坦和赤道的凸起，以及太阳和月亮的引力如何产生地球的潮汐。在牛顿的叙述中，引力保持宇宙平衡，使其运转起来，并将天地结合在一个伟大的方程式中。

艾萨克·牛顿 和 罗伯特·胡克

并不是皇家艺术学院的每个人都对牛顿在光学方面的发现和1672年出版的Opticks：Or，A treatise of the Reflections，Refractions，Inflections and Colours of Light充满热情。反对者中有罗伯特·胡克（Robert Hooke），他是皇家科学院的创始成员之一，也是一位在包括机械和光学在内的多个领域都有成就的科学家。

牛顿理论认为光是由粒子组成的，而胡克则认为它是由波组成的。胡克很快以居高临下的措辞谴责了牛顿的论文，并攻击了牛顿的方法论和结论。

胡克并不是唯一一个质疑牛顿在光学方面的工作的人。著名的荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）和一些法国耶稣会士也提出了反对意见。但由于胡克与英国皇家学会的联系以及他自己在光学方面的工作，他的批评对牛顿的伤害是最严重的。

由于无法应对这些批评，他变得愤怒——这种反应将持续到他的一生。牛顿否认了胡克关于他的理论有任何缺点的指控，并论证了他的发现对所有科学的重要性。

在接下来的几个月里，两人之间的交流变得更加激烈，很快牛顿就威胁要完全退出皇家学会。只有当其他几名成员向他保证，研究员们对他非常尊重时，他才留下来。牛顿和胡克之间的竞争将持续数年。然后，在1678年，牛顿完全精神崩溃，通信戛然而止。次年他母亲的去世使他变得更加孤立，在六年的时间里，他退出了知识交流，除非其他人主动通信，而他总是保持简短的通信。在他离开公共生活期间，牛顿重新开始研究引力及其对行星轨道的影响。具有讽刺意味的是，让牛顿在这项研究中走上正确方向的动力来自罗伯特·胡克。

在1679年写给皇家学会成员的一封供稿信中，胡克写信给牛顿并提出了行星运动的问题，建议涉及平方反比的公式可以解释行星之间的吸引力及其轨道的形状。随后的交流发生后，牛顿迅速再次中断了通信。但胡克的想法很快就被纳入了牛顿关于行星运动的研究中，从他的笔记中可以看出，到1680年，他很快就得出了自己的结论，尽管他对自己的发现保密。1684年初，在与英国皇家学会成员克里斯托弗·雷恩（Christopher Wren）和埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）的一次谈话中，胡克提出了他关于行星运动证明的论点。雷恩和哈雷都认为他说得对，但指出需要一个数学演示。

1684年8月，哈雷前往剑桥探望正在从隐居中走出来的牛顿。哈雷懒洋洋地问他，如果行星对太阳的吸引力遵循它们之间距离的平方反比（胡克理论），那么它的轨道会变成什么形状。

由于过去六年里他集中精力工作，牛顿知道答案，并回答说：“一个椭圆。牛顿声称在大约 18年前，在他离开剑桥和瘟疫期间解决了这个问题，但他找不到他的笔记。哈雷说服他用数学方法解决这个问题，并提出支付所有费用，以便这些想法可以在牛顿的《原理》上发表。

1687年《原理》第一版出版后，罗伯特·胡克立即指责牛顿抄袭，声称他发现了平方反比理论，牛顿窃取了他的工作。正如大多数科学家所知道的那样，这种指控是没有根据的，因为胡克只是对这个想法进行了理论化，从未将其提出任何证据。

然而，牛顿非常愤怒，并强烈捍卫他的发现。他撤回了笔记中所有对胡克的引用，并威胁要完全退出出版《原理》的后续版本。

哈雷在牛顿的工作中投入了大量精力，他试图在这两个人之间实现和平。虽然牛顿不情愿地同意在他关于平方反比定律的讨论中加入对胡克工作的联合承认（与Wren和Halley共享），但这并没有安抚胡克。

随着岁月的流逝，胡克的生活开始瓦解。他心爱的侄女和伴侣在1687年《原理》出版的同一年去世。随着牛顿的名声和名声的增长，胡克的名声和名声却越来越差，导致他对对手变得更加苦毒和厌恶。

直到最后，胡克抓住一切可能的机会得罪牛顿。胡克知道他的竞争对手很快就会当选为皇家学会主席，因此拒绝退休，直到1703年去世。

牛顿和炼金术

在《原理》出版后，牛顿已经为新的人生方向做好了准备。他不再满足于自己在剑桥的职位，而是更多地参与其他问题。他帮助领导了对詹姆斯二世国王试图在剑桥重建天主教教义的抵抗运动，并于1689年当选为剑桥议会的代表。

在伦敦期间，牛顿结识了更广泛的知识分子群体，并结识了政治哲学家约翰·洛克。尽管欧洲大陆的许多科学家继续根据亚里士多德教授机械世界，但年轻一代的英国科学家被牛顿对物理世界的新观点所吸引，并认为他是他们的领袖。其中一位崇拜者是瑞士数学家尼古拉斯·法蒂奥·德·杜利埃（Nicolas Fatiode Duillier），牛顿在伦敦时结识了他。

然而，几年后，牛顿在1693年又陷入了精神崩溃。原因有待猜测：他对没有被英格兰新君主威廉三世和玛丽二世任命为更高职位感到失望，或者随后失去了与杜利埃的友谊;因过度劳累而筋疲力尽;或者可能是几十年炼金术研究后的慢性汞中毒。

很难知道确切的原因，但有证据表明，牛顿写给他在伦敦的几位熟人和朋友的信，包括杜利埃，似乎精神错乱和偏执，并指责他们背叛和阴谋。

奇怪的是，牛顿很快就恢复了，给朋友写了道歉信，并在几个月内回到了工作岗位。他出生时所有的智力设施都完好无损，但似乎对科学问题失去了兴趣，现在更喜欢追求预言和经文以及炼金术的研究。

虽然有些人可能认为这是在彻底改变科学的人之下的工作，但更恰当地将其归因于牛顿对动荡的17世纪英国当时问题的回应。

许多知识分子都在努力思考许多不同主题的意义，尤其是宗教、政治和人生的目的。现代科学仍然如此新颖，以至于没有人确切地知道它与旧哲学相比如何。

金本位

在1696年，牛顿终于获得了他长久以来追求的政府职位：造币厂监理。获得这个新职位后，他永久性地搬到了伦敦，和他的侄女凯瑟琳·巴顿（Catherine Barton）住在一起生活。

巴顿是哈利法克斯勋爵的情妇，哈利法克斯勋爵是一位高级政府官员，他在1699年帮助牛顿晋升为造币厂厂长——他一直担任这个职位直到去世。

牛顿不想让它仅仅被视为一个荣誉职位，他认真地接受了这项工作，改革了货币并严厉惩罚了造假者。作为造币厂的大师，牛顿将英国货币英镑从白银转变为金本位制。

英国皇家学会

1703年，牛顿在罗伯特·胡克去世后当选为皇家学会主席。然而，牛顿似乎从未理解过科学是一种合作冒险的概念，他的雄心壮志和对自己发现的激烈捍卫继续导致他与其他科学家发生冲突。

从大多数人的角度来看，牛顿在该协会的任期是专制和专制的;他能够以绝对的权力控制年轻科学家的生活和事业。

1705年，在一场酝酿了数年的争论中，德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）公开指责牛顿剽窃了他的研究，声称他在《原理》出版前几年就发现了无穷小微积分。

1712年，皇家学会任命了一个委员会来调查此事。当然，由于牛顿是该协会的主席，他能够任命委员会的成员并监督其调查。毫不奇怪，该委员会得出结论，牛顿的优先权优先于这一发现。

同年，在牛顿的另一次更明目张胆的暴政事件中，他未经许可发表了天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）的笔记。这位天文学家似乎从他在英国格林威治的皇家天文台收集了大量数据。

牛顿要求提供大量Flamsteed的注释，用于他对Principia的修订。弗拉姆斯蒂德没有按照他的意愿尽快向他提供更多信息，牛顿很生气，他利用自己作为皇家学会主席的影响力被任命为负责皇家天文台的“访客”机构的主席。

然后，他试图强迫立即出版Flamsteed的星星目录，以及Flamsteed的所有笔记，无论是经过编辑的还是未经编辑的。雪上加霜的是，牛顿安排弗拉姆斯蒂德的死敌埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）准备出版笔记。

弗拉姆斯蒂德最终获得了一项法院命令，迫使牛顿停止出版计划并归还笔记——这是牛顿为数不多的几次被他的竞争对手击败的一次。

最后几年

在生命的最后阶段，牛顿与他的侄女凯瑟琳（巴顿）康杜特和她的丈夫约翰康杜特住在英格兰温彻斯特附近的克兰伯里公园。

此时，牛顿已成为欧洲最著名的人之一。他的科学发现没有受到挑战。他也变得富有，明智地投资了他可观的收入，并向慈善机构捐赠了大量礼物。尽管他很有名，但牛顿的生活远非完美：他从未结过婚，也从未交过很多朋友，在他的晚年，骄傲、不安全感和对特殊科学研究的偶然旅行相结合，甚至导致他为数不多的几个朋友中的一些人也担心他的精神稳定性。

当他80岁时，牛顿遇到了消化问题，不得不彻底改变他的饮食和活动能力。1727年3月，牛顿感到腹部剧烈疼痛并昏厥，再也没有恢复意识。他于第二天，即1727年3月31日去世，享年84岁。

遗产

牛顿的名气在他死后更加大，因为他的许多同时代人都称他为有史以来最伟大的天才。也许有点夸张，但他的发现对西方思想产生了很大影响，导致人们将他与柏拉图、亚里士多德和伽利略等人相提并论。尽管他的发现是科学革命期间的众多发现之一，但牛顿的万有引力原理在当时的科学中找不到可比之处。当然，牛顿的一些关键假设被证明是错误的。在20世纪，阿尔伯特·爱因斯坦推翻了牛顿的宇宙概念，指出空间、距离和运动不是绝对的，而是相对的，宇宙比牛顿想象的更奇妙。

牛顿可能并不感到惊讶：在他的晚年生活中，当被问及如何评价他的成就时，他回答说：“我不知道我在世人面前会是什么样子。但对我自己来说，我似乎只是像一个在海边玩耍的男孩，不时地转移注意力，寻找比普通更光滑的鹅卵石或更漂亮的外壳，而真理的浩瀚海洋则摆在我面前。

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