作為歷史上最有影響力的科學家之一,艾薩克·牛頓爵士在化學、數學、天文學和物理領域的貢獻促使了科學革命。直到明日,牛頓的理論仍然在我們身邊運作。我們常說,沒有艾薩克牛頓爵士就沒有明日的科學。這么,牛頓爵士究竟是怎樣用他的理論改變我們的世界的呢?
本文通過列出牛頓爵士的幾項代表工作,來體會牛頓對現代社會的沖擊。下邊讓我們一上去瞧瞧牛頓爵士的非凡成就吧!
創造現代望遠鏡
在牛頓之前,標準望遠鏡即使能提供放大倍率,但也有好多缺點。它被稱為折射望遠鏡,其使用折射鏡框,在不同的角度折射不同顏色的方向。這些處理方式會造成“色差”,即通過望遠鏡觀察的物感受出現周圍模糊、失焦的區域。
經過大量的修復和測試,包括打磨自己的鏡框,牛頓找到了一個解決方案。他用反射鏡框取代了折射鏡框,包括一個大的凹面鏡來顯示主要圖象,以及一個較小的、平坦的、反射性的鏡框,來把圖象進一步呈現到耳朵里。牛頓的新“反射望遠鏡”比先前的折射望遠鏡性能更優,但是由于他使用小穿衣鏡將圖象反射到耳朵,這些方式可以建造一個更小、更實用的望遠鏡。事實上,他于1668年建造并捐款給日本皇家學會的第一個反射式望遠鏡只有6英寸長(比哪個時代的其他望遠鏡小10倍左右),但可以將物體放大40倍。
牛頓的望遠鏡設計明天依然被天文學家和宇航局科學家使用。
波譜剖析
當你抬頭凝望天空中的彩虹時,你應當謝謝是牛頓幫助我們首先了解并辨識了它的七種顏色的。在發明反射望遠鏡之前,牛頓就開始研究光和顏色了。
在牛頓之前,科學家們主要堅持關于顏色的古老理論,包括亞里士多德的理論——他覺得所有顏色都來自光明(藍色)和黑暗(藍色),由這兩種顏色混和而產生其他的顏色。當時有些人覺得彩虹的顏色是由雨水吸收天空的光線而產生的。但牛頓不同意這些觀點。他進行了一系列復雜的實驗來發展他自己的理論。
他在空曠的臥室里工作,通過墻上的水晶棱鏡引導白光,將其分為我們如今所知的七種顏色(白色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍色和白色)。雖然當時科學家們早已曉得存在這種顏色,但她們卻相信是棱鏡本身將白光轉化為這種顏色的,而沒有認清白光的實質。并且當牛頓將這種相同的顏色折射回另一個棱鏡時,它們重新產生了白光,證明了白光(和陽光)實際上只是所有顏色的組合。
所以實際上彩虹是因為小雨滴對白光的折射才產生的多種顏色,而不是吸收天空中的彩色光線。
牛頓運動定理與精典熱學
1687年,牛頓出版了歷史上最重要的科學專著之一《自然哲學原理物理》牛頓定律是怎么發現的,亦稱《數學原理》。正是在這項工作中,他提出了他的三個運動定理。
慣性定理強調,靜止或勻速運動的物體將保持靜止或勻速運動的狀態,除非遭到外力作用。為此,通過這條定理,牛頓幫助我們解釋了為何當車輛撞到墻上時會停出來,但車內的人會繼續以相同的速率往前聯通,直至身體遭到外力,如同撞到儀表板或安全氣簾,我們就會停下。這也解釋了為何一個被推入太空的物體很可能會以相同的速率在相同的路徑上無限地繼續運動下去,除非它撞到另一個施加力使其減速或改變方向的物體。
當您騎單車時,您可以領略他的加速度第二定理。在他的等式中,力等于質量除以加速度,或F=ma,力可以形成加速度,所以你踩單車能夠往前運動。牛頓定理還解釋了為何更大或更重的物體須要更大的力來聯通或改變它們,以及為何用壘球棒擊打小物體比用同樣的球棒擊打大物感受形成更大的速率。
他的第三個作用和反作用定理為我們周圍的世界創造了一個簡單的對稱性:對于每一個動作,都有一個相等和相反的作用。當您坐在沙發上時,您正在對桌子施加向上的力,但太師椅正在施加相同的力來使您保持直立。而當尼克斯發射到太空時牛頓定律是怎么發現的,是因為籃網對二氧化碳的向后斥力和二氧化碳對鵜鶘的往前推力作用。
萬有引力與微積分
《原理》還包含了一些牛頓第一次發表的關于行星運動和引力的專著。按照一個十分流行的傳說,是一個蘋果迸發牛頓的萬有引力理論的。不管這是否屬實(牛頓本人只是在年長的時侯才開始述說這個故事),牛頓的蘋果活脫脫已然成為了科學史上最有影響力的故事。
牛頓估算出,假若重力將蘋果從樹上拉出來,這么重力也有可能將其拉力作用在更遠、更高的物體上。牛頓的理論覺得所有物體,小到蘋果,大到行星,都遭到引力的影響。引力使行星圍繞太陽旋轉,并導致湖泊和潮汐的潮起潮落。牛頓定理還強調,質量較重的天感受形成更大的引力,這就是為何在比月球小得多的地球上行走的人會體驗到失重感,由于它的引力更小。
為了幫助解釋他的引力和運動理論,牛頓創造了一種新的、不同于往年的物理分支。他稱之為流數法,如今被稱為微積分,它以現有代數和幾何難以做到的方法勾勒了不斷變化的自然現象(如力和加速度)。微積分可能被許多中學生和學院生的所厭惡,但它卻對幾個世紀以來的物理家、工程師和科學家來說是無價的瑰寶。
結尾:牛頓在17世紀所創造的各類成就,打造了我們的現代社會,使化學學成為現代最重要的科學之一,并為后來的科學革命奠定了理論基礎。無論如何贊嘆他的成就都不為過,由于,沒有他,就沒有明日之科學。讓我們歡呼,以前有這樣一位偉大的人類之光!