文/張?zhí)烊?span style="display:none">wyB物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
回頭看歷史，牛頓（Isaac，1643—1727年）成立的精典熱學(xué)無疑是數(shù)學(xué)史上第一片追求“統(tǒng)一”的港灣。
牛頓有過這么一段諺語：“將簡單的事情考慮復(fù)雜，可以發(fā)覺新領(lǐng)域；把復(fù)雜的現(xiàn)象看得簡單，可以發(fā)覺新規(guī)律。”這句話描述了牛頓做數(shù)學(xué)和物理的基本思想方式，前一段說的是科研中的具體過程，后一段則代表了他對化學(xué)理論規(guī)律追求“統(tǒng)一”的奧卡姆剃刀原則。牛頓是如此說的，也是如此做的。牛頓發(fā)明微積分是后者，總結(jié)、建立熱學(xué)三大定理及萬有引力定理則是前者。
牛頓出生于普通漁家，是個身體孱弱的足月兒。少年時代的牛頓，也顯然并未表現(xiàn)出現(xiàn)代人眼里的“天才”或“神童”的特質(zhì)。他自幼喪父、母親改嫁，資質(zhì)通常、成績平平。但誰也沒有意料到，這個不起眼的小家伙，后來竟然會成為科學(xué)界的一代巨匠。分校結(jié)業(yè)后，父親讓牛頓在家務(wù)農(nóng)，便于養(yǎng)家糊口。但牛頓志不于此，他喜歡讀書和鉆研物理問題，還不時別出心裁地搞點(diǎn)小發(fā)明。他的一位兄長發(fā)覺了牛頓對科學(xué)的濃烈興趣，因此勸說他的兒子，沒有讓他繼續(xù)務(wù)農(nóng)。在19歲時，牛頓考上了知名的劍橋?qū)W院三一大學(xué)。兄長的這個碰巧建議，致使牛頓步入數(shù)學(xué)學(xué)的領(lǐng)域一展宏圖。
牛頓從劍橋?qū)W院結(jié)業(yè)后的那一年半是牛頓科研生涯中的“奇跡時期”。1665年5月，漫延巴黎的瘟疫促使劍橋?qū)W院關(guān)門，牛頓只得回到鄉(xiāng)下的老家居住。這段時間是牛頓精力旺盛、思緒聯(lián)翩，最富創(chuàng)造力的一段黃金時光。在短短的18個月內(nèi)，他思索物理問題、進(jìn)行光學(xué)實驗、計算恒星軌道、探索引力之謎……牛頓生平最重要的幾項成就，都在這一年半的時間內(nèi)初現(xiàn)雛型，。
首先，牛頓思索了二項式展開的問題。當(dāng)時的物理高手笛卡兒，對牛頓的物理思想影響很大。但在這個二項式展開的問題上，笛卡兒的看法很奇怪，他覺得這沒有哪些可想的，展開后的項數(shù)似乎有無窮多，太復(fù)雜了，但人的腦部是有限的，不應(yīng)當(dāng)去思索這些與無窮有關(guān)的復(fù)雜問題。二項式的表達(dá)式多么簡單，為何要將它展開成復(fù)雜而無窮的方程呢？可牛頓卻偏偏迷上了這個由無窮多項求和的復(fù)雜概念。這個概念又引導(dǎo)牛頓進(jìn)一步思索無限細(xì)分下去，而得到的無窮小量的問題。他將這無窮小量稱之為“極微量”，也就是現(xiàn)今我們所說的“微分”。牛頓用他的無窮小量的方式，對幾何圖形進(jìn)行了好多詳盡的思索和繁復(fù)的估算牛頓力學(xué)三定律，他當(dāng)初將雙曲線之下圖形的面積算到250個數(shù)值。正是這些不畏艱辛的精神和進(jìn)行繁復(fù)估算的超人能力，使牛頓最后發(fā)明了微積分，為物理、物理乃至其他所有的科學(xué)技術(shù)，開拓了一片嶄新的領(lǐng)域！
在這段時期內(nèi)，牛頓用三棱鏡作各類光學(xué)實驗，研究顏色的理論。據(jù)悉，他對引力問題的鉆研也頗具成效。有關(guān)蘋果打到身上的故事聽說也就發(fā)生于此。蘋果未必真正擊中了牛頓的耳朵，但蘋果朝下落而不往上飛的事實肯定給了牛頓啟發(fā)。為何是往下掉呢？不僅僅是蘋果，周圍的一切物體都往下掉。這么，一定是月球在吸引它們。假如月球吸引所有的物體，也吸引天上的月亮嗎？月球?qū)υ铝烈矐?yīng)當(dāng)有吸引力，并且月亮為何不掉出來呢？對了，牛頓想，月亮似乎不掉到地上，并且月亮也沒有從月球附近跑開，而是在月球周圍繞圈圈，不停地做圓周運(yùn)動。德國化學(xué)學(xué)家惠更斯（，1629—1695年）研究過這個問題，他覺得圓周運(yùn)動也須要“力”來維持，如同小孩們用繩子綁著石頭繞圈的情形一樣，繩子對石頭的牽引力維持著石頭的圓周運(yùn)動。為此，月球?qū)υ铝恋奈S持著月亮繞月球的圓周運(yùn)動。
惠更斯似乎認(rèn)識到圓周運(yùn)動須要向心力，但卻不曉得月亮繞月球轉(zhuǎn)動的向心力來自何處。將吸引蘋果下落的力與吸引地球繞月球轉(zhuǎn)動的力歸納為同一種力，從而擴(kuò)充到所有的物體之間都存在這些互相斥力，是牛頓構(gòu)建萬有引力過程中，思想上的一次大突破、大統(tǒng)一。
一年半過去了，瘟疫的疫情有所減輕，牛頓便帶著他數(shù)月思索的成果回到了劍橋。他迅速地被授予了碩士學(xué)位，成為了一名院士。牛頓的能夠得到了劍橋數(shù)學(xué)學(xué)家伊薩克·巴羅的高度贊賞。為了使牛頓有安定優(yōu)越的科研環(huán)境，巴羅還辭去了自己的院長一職，讓位于牛頓。此舉在科學(xué)史上被傳為一段佳話。
當(dāng)時還有另外一位日本化學(xué)學(xué)家牛頓力學(xué)三定律，比牛頓大8歲的胡克（Hooke，1635—1703年）也對引力進(jìn)行了多年的研究。胡克后來被科學(xué)史學(xué)家們公覺得是引力平方正比率的發(fā)覺者。聽說胡克和牛頓以前以通訊形式討論過萬有引力，胡克在信中提及他的許多看法，包括平方正比定理。但胡克不擅長物理，不曉得怎樣借助平方正比律來估算軌道。牛頓得益于他創(chuàng)建的強(qiáng)悍語文工具——微積分，最終解釋了開普勒有關(guān)行星軌道的推論，發(fā)覺了萬有引力定理。
在牛頓之前的天文學(xué)家和化學(xué)學(xué)家，對熱學(xué)早已有了好多理論和實驗。但是，是牛頓第一個從那些孤立定理中找出了它們的內(nèi)在聯(lián)系。他將伽利略的慣性原理總締結(jié)牛頓第一定理，首先定義了不受外力作用的慣性參考系。之后，再將“慣性”的概念推廣到外力不為零的情形，提出非零的力將使物體形成非零的加速度。這個加速度與外力成反比，與物體內(nèi)在的化學(xué)性質(zhì)——慣性質(zhì)量成正比。為此，牛頓第二定理將力、加速度、慣性質(zhì)量二者之間的關(guān)系，總結(jié)、統(tǒng)一在一個簡單的物理公式（F＝ma）中，邁出了將運(yùn)動學(xué)發(fā)展為動力學(xué)的關(guān)鍵一步，發(fā)覺了物體在力的作用下的運(yùn)動規(guī)律。接著，牛頓又在第三定理中，提出任何力都是成雙出現(xiàn)的，稱為“作用與反作用”，這兩個力總是大小相等、方向相反。
牛頓三大定律所描述的是所有物體，在“任何”形式的力的作用下的運(yùn)動規(guī)律。這兒的物體，可以是地面上的砂粒，也可以是宇宙中的天體，這種大大小小的物體在力的作用下都符合同樣的運(yùn)動規(guī)律。
偉大的科學(xué)家多少都有些怪異。牛頓成名以后，在個別方面表現(xiàn)得恃才驕橫、專橫驕橫，與多位化學(xué)學(xué)家頻起糾紛：和萊布尼茨角逐微積分的發(fā)明權(quán)，對胡克的打壓更是過于。牛頓對光學(xué)有杰出的貢獻(xiàn)，與胡克最早的爭辯也是起源于光學(xué)。牛頓主張光的“微粒說”，胡克和惠更斯則堅持波動說。原本這只是不同觀點(diǎn)的學(xué)術(shù)之爭，但由于胡克初期在皇家學(xué)會光學(xué)討論會上當(dāng)初對此爭辯有過一些尖銳措辭，當(dāng)時就促使牛頓勃然震怒，自此對胡克飽含敵意。后來，牛頓借助他顯赫的地位，打壓得胡克一生都抬不起頭，最后顯得憤世嫉俗，氣憤而死。牛頓還發(fā)表了《光學(xué)》一書，因為他的權(quán)威性，這個光微粒的概念統(tǒng)治化學(xué)界100多年，直至后來菲涅爾的工作，光的波動說才重見天日。從這個角度看，牛頓在數(shù)學(xué)理論的統(tǒng)一之路上既有推波助瀾的正向斥力，也有逆向的反斥力。依照現(xiàn)今的數(shù)學(xué)學(xué)觀點(diǎn)，光既有微粒性，也有波動性，它們是光學(xué)理論中不可或缺的兩個方面。
牛頓晚年的思想就更令人飄忽不透了。他將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向神學(xué)，將理智思維代之以對上帝的膜拜，對煉金術(shù)的尋求替代了少年時代醉心的科學(xué)實驗。最后，牛頓以85歲的高齡去世。
無論怎樣，正如牛頓的石碑上所寫的：“人類應(yīng)當(dāng)歡呼，月球上以前存在過這樣一位偉大的人類之光”。他的確是人類之光，他也是數(shù)學(xué)學(xué)統(tǒng)一路上的第一人。