牛頓那些事兒

鐘　凱

被譽為近代科學(xué)開創(chuàng)者的牛頓，在科學(xué)上有著巨大貢獻。他的三大成就——光的分析、萬有引力定律和微積分學(xué)，對現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

牛頓為什么能在科學(xué)上獲得巨大成就？他是怎樣由一個平常的人成為一個偉大的科學(xué)家的？要回答這些問題，我們不禁要聯(lián)想到他刻苦學(xué)習(xí)和勤奮工作的幾個故事。

“我一定要超過他！”

一談到牛頓，人們可能認為他小時候一定是個“神童”、“天才”、有著非凡的智力。其實不然，牛頓童年身體瘦弱，頭腦并不聰明。在家鄉(xiāng)讀書的時候，很不用功，在班里的學(xué)習(xí)成績屬于次等。但他的興趣卻是廣泛的，游戲的本領(lǐng)也比一般兒童高。平時他愛好制作機械模型一類的玩意兒，如風車、水車、日晷等等。

有時，他玩的方法也很奇特。一天，他做了一盞燈籠掛在風箏尾巴上。當夜幕降臨時，點燃的燈籠借風箏上升的力升入空中。發(fā)光的燈籠在空中流動，人們大驚，以為是出現(xiàn)了彗星。

盡管如此，因為他學(xué)習(xí)成績不好，還是經(jīng)常受到歧視。當時，封建社會的英國等級制度很嚴重，中小學(xué)里學(xué)習(xí)好的學(xué)生，可以歧視學(xué)習(xí)差的同學(xué)。有一次課間游戲，大家正玩得興高采烈的時候，一個學(xué)習(xí)好的學(xué)生借故踢了牛頓一腳，并罵他笨蛋。牛頓的心靈受到了刺激，憤怒極了。他想，我倆都是學(xué)生，我為什么受他的欺侮？我一定要超過他！從此，牛頓下定決心，發(fā)奮讀書。他每天早起晚睡，抓緊分秒、勤學(xué)勤思。

經(jīng)過刻苦鉆研，牛頓的學(xué)習(xí)成績不斷提高，不久就超過了曾欺侮過他的那個同學(xué)，名列班級前茅。

籬笆下的樂趣

牛頓少年時代的境遇十分令人同情，他1642年出生在英國一個普通農(nóng)民的家里。在牛頓出生前不久，他的父親就去世了。母親在他兩歲那年改嫁了。當牛頓十四歲的時候，他的繼父也不幸故去了，母親回到家鄉(xiāng)，牛頓被迫休學(xué)回家，幫助母親種田過日子。母親想培養(yǎng)他獨立謀生，要他經(jīng)營農(nóng)產(chǎn)品的買賣。

一個勤奮好學(xué)的孩子多么不愿意離開心愛的學(xué)校?。∷麄牡乜摁[了幾次，母親始終沒有回心轉(zhuǎn)意，最后只得違心地按母親的意愿去學(xué)習(xí)經(jīng)商。每天一早，他跟一個老仆人到十幾里外的大鎮(zhèn)子去做買賣。牛頓非常不喜歡經(jīng)商，經(jīng)常是老仆人獨去。怕家里人發(fā)覺，他每天與老仆人一同出去，到半路停下，在一個籬笆下讀書。每當下午老仆人歸來時，再一同回家。

這樣，日復(fù)一日，籬笆下的讀書生活倒也其樂無窮。一天，他正在籬笆下興致勃勃地讀書，正巧被路過的舅舅看見。舅舅一看這個情景，非常生氣，大聲責罵他不務(wù)正業(yè)，并把牛頓的書搶了過來。舅舅一看他所讀的是數(shù)學(xué)書，上面畫著種種記號，心里十分感動。舅舅一把抱住牛頓，激動地說：“孩子，就按你的志向發(fā)展吧，你的正道應(yīng)該是讀書?！?/p>

回到家里后，舅舅竭力勸說牛頓的母親，讓牛頓棄商就學(xué)。在舅舅的幫助下，牛頓如愿以償?shù)貜?fù)學(xué)了。

在暴風中研究和計算風力

牛頓十六歲時數(shù)學(xué)知識還很膚淺，對高深的數(shù)學(xué)知識甚至可以說是不懂?！爸R在于積累，聰明來自學(xué)習(xí)”。牛頓下決心靠自己的努力攀上數(shù)學(xué)的高峰。在基礎(chǔ)差的不利條件下，牛頓能正確認識自己，知難而進。他從基礎(chǔ)知識、基本公式重新學(xué)起，扎扎實實、步步推進。他研究完了歐幾里德幾何學(xué)后，又研究笛卡兒幾何學(xué)，對比之下覺得歐幾里德幾何學(xué)膚淺，便悉心鉆研笛氏幾何學(xué)，直到掌握要領(lǐng)、融會貫通，遂之發(fā)明了代數(shù)二項式定理。傳說中牛頓“大暴風中算風力”的佳話，可謂牛頓身體力學(xué)的佐證。有一天，天刮著大風暴，風撒野地呼號著，塵土飛揚，迷迷漫漫，使人難以睜眼。牛頓認為這是個準確地研究和計算風力的好機會。于是，便拿著用具，獨自在暴風中來回奔走。他踉踉蹌蹌、吃力地測量著。幾次沙塵迷了眼睛，幾次風吹走了算紙，幾次風使他不得不暫停工作，但都沒有動搖他求知的欲望。他一遍又一遍，終于求得了正確的數(shù)據(jù)。他快樂極了，急忙跑回家去，繼續(xù)進行研究。有志者事竟成，經(jīng)過勤奮學(xué)習(xí)，牛頓為自己的科學(xué)高塔打下了深厚的基礎(chǔ)。不久，牛頓的數(shù)學(xué)高塔就建成了，二十二歲時發(fā)明了微分學(xué)，二十三歲時發(fā)明了積分學(xué)，為人類科學(xué)事業(yè)作出了巨大貢獻。

萬有引力和光的秘密

牛頓二十三歲時，鼠疫流行于倫敦。劍橋大學(xué)為預(yù)防學(xué)生受傳染，通告學(xué)生休學(xué)回家避疫，學(xué)校暫時關(guān)閉。牛頓回到故鄉(xiāng)林肯郡鄉(xiāng)下。在鄉(xiāng)下度過的休學(xué)日子里，他從沒間斷過學(xué)習(xí)和研究。萬有引力、微積分、光的分析等發(fā)明的基礎(chǔ)工作，都是這個期間完成的。

那時，鄉(xiāng)下的孩子是常常用投石器打幾個轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)之后，把石拋得很遠。他們還可以把一桶牛奶用力從頭上轉(zhuǎn)過，而牛奶不掉下來。

這些事實使他懷疑起來：什么力量使投石器里面的石頭，以及水桶里的牛奶不掉下來呢？對于這個問題，他曾想到開普勒和伽利略的思想。他從浩瀚的宇宙太空，周行不息的行星，廣寒的月球，直至龐大的地球，進而想到這些龐然大物之間力的相互作用。這時，牛頓一頭扎進“引力”的計算和驗證中了。牛頓計劃用這個原理驗證太陽系各行星的行動規(guī)律。他首先推求月球與地球的距離，由于引用的資料數(shù)據(jù)不正確，計算的結(jié)果錯了。因為依理推算月球圍繞地球轉(zhuǎn)，每分鐘的向心加速度應(yīng)是16英尺（約4.9米），但據(jù)推算僅得13.9英尺（約4.2米）。在失敗的困境中，牛頓毫不灰心和氣餒，反而以更大的努力進行辛勤的研究。整整經(jīng)過了七個春秋寒暑，到三十歲時終于把舉世聞名的“萬有引力定律”全面證明出來，奠定了理論天文學(xué)、天體力學(xué)的基礎(chǔ)。

這時期牛頓還對光學(xué)進行了研究，發(fā)現(xiàn)了顏色的根源。一次，他在用自制望遠鏡觀察天體時，無論怎樣調(diào)整鏡片，視點總是不清楚。他想，這可能與光線的折光有關(guān)。接著就做起實驗來了。他在暗室的窗戶上留一個小圓孔用來透光，在室內(nèi)窗孔后放一個三棱鏡，在三棱鏡后掛好白屏接受通過三棱鏡折進的光。結(jié)果，大出意外，牛頓驚異地看到，白屏上所接受的折光呈橢圓形，兩端現(xiàn)出多彩的顏色來。對這個奇異的現(xiàn)象，牛頓進行了深入的思考。得知光受折射后，太陽的白光散為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。因此，白光（陽光）是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光線匯合而成。自然界雨后天晴，陽光經(jīng)過天空中余留的雨滴的折射、反射，形成五彩繽紛的虹霓，正是這個道理。

經(jīng)過進一步研究，牛頓指出世界萬物之所以有顏色，并非其自身有顏色。太陽普照萬物，各物體只吸收它所接受的顏色，而將它所不能接受的顏色反射出來。這反射出來的顏色就是人們見到的各種物體的顏色。這一學(xué)說準確地道出顏色的根源，世界上自古以來所出現(xiàn)的各種顏色學(xué)說都被它所推翻。

牛頓所以能取得如此巨大的成就，早年苦學(xué)所打下的深厚數(shù)學(xué)基礎(chǔ)起了重要作用。

謙虛謹慎、一絲不茍的學(xué)風

“寬闊的河流平靜，學(xué)識淵博的人謙虛。”凡是對人類發(fā)展作出巨大貢獻的偉大人物，都有謙虛的美德。每當牛頓在科學(xué)上獲得偉大成就時，從不沾沾自喜，自以為很了不起。當牛頓費盡心血算出“萬有引力定律”后，沒有急于發(fā)表。而是繼續(xù)孜孜不倦地深思了數(shù)年，研究了數(shù)年，埋頭于數(shù)字計算之中，從未對任何人講過一句。后來，牛頓的朋友，大天文學(xué)家哈雷（彗星的發(fā)現(xiàn)者），在證明一個關(guān)于行星軌道的規(guī)律遇到困難時，專程登門請教牛頓。牛頓把自己關(guān)于計算“萬有引力”的書稿交給哈雷看。哈雷看后才知道他所要請教的問題，正是牛頓早已解決、早已算好了的問題，心里欽羨不已。

在1684年11月的一天，哈雷又到牛頓的寓所拜訪。當談到有關(guān)天文學(xué)的學(xué)術(shù)問題時，牛頓拿出寫好的關(guān)于論證“萬有引力”的論文，請哈雷提意見。哈雷看后，對這一巨著感到非常驚訝。他欣喜地對牛頓說：“這真是偉大的論證、偉大的著作！”他再三奉勸牛頓盡快發(fā)表這部偉大著作，以造福于人類?？墒桥ｎD沒有聽信朋友的好意勸告，輕易地發(fā)表自己的著作。而是經(jīng)過長時間的一絲不茍的反復(fù)驗證和計算，確認正確無誤后，才于1687年7月將《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》發(fā)表于世。

牛頓是個十分謙虛的人，從不自高自大。曾經(jīng)有人問牛頓：“你獲得成功的秘訣是什么？”牛頓回答說：“假如我有一點微小成就的話，沒有其他秘訣，唯有勤奮而已?！彼终f：“假如我看得遠些，那是因為我站在巨人們的肩上?！边@些話多么意味深長啊！它生動地道出牛頓獲得巨大成就的奧妙所在，這就是在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以獻身的精神，勤奮地創(chuàng)造，開辟出科學(xué)的新天地。