牛頓（Isaac，1643～1727）偉大的化學(xué)學(xué)家、天文學(xué)家和物理家，精典熱學(xué)體系的奠基人。
牛頓1643年1月4日（儒略歷1642年12月25日）誕生于西班牙北部小鎮(zhèn)烏爾斯索普一個自耕農(nóng)家庭。出生前八九個月父死于猩紅熱。自小單薄，自卑而執(zhí)拗。3歲時父親改嫁，由外祖父扶養(yǎng)。11歲時父親過世，父親又帶3個弟弟回去務(wù)農(nóng)。在不幸的家庭生活中，牛頓中學(xué)時成績較差，“除設(shè)計機械外沒顯露才氣”。
牛頓自小熱愛自然，喜歡動腦動手。8歲時積攢零錢買了錘、鋸來做手工，他非常喜歡刻制渾天儀，借助圓盤上小棍的投影顯示時刻。傳說他家里墻角、窗臺上四處都有他刻劃的渾天儀，他還做了一個渾天儀置于村中央，被人稱為“牛頓鐘”，仍然用到牛頓死后好幾年。他還做過帶踏板的單車；用小木桶做過滴漏水鐘；放過自做的帶小燈籠的風箏（人們以為是慧星出現(xiàn)）；用小老鼠當動力做了一架磨坊的模型，等等。他觀察自然最生動的事例是15歲時做的第一次實驗：為了估算風力和風速，他選擇大風時做順風跳躍和逆風跳躍，再量出兩次跳躍的距離差。牛頓在格蘭瑟姆小學(xué)讀書時，曾寄搬去格蘭瑟姆鎮(zhèn)克拉克超市，這兒更培養(yǎng)了他的科學(xué)實驗習(xí)慣，由于當時的診所就是一所物理實驗室。牛頓在自己的筆記中，將自然現(xiàn)象分類整理，包括顏色調(diào)配、時鐘、天文、幾何問題等等。這種靈活的學(xué)習(xí)方式，都為他后來的創(chuàng)造打下了良好基礎(chǔ)。牛頓曾因家貧停學(xué)務(wù)農(nóng)，在這段時間里，他借助一切時間自學(xué)。放羊、購物、農(nóng)閑時，他都手不釋卷，甚至羊吃了他人莊稼，他也不曉得。他祖父是一個牧師，有一次發(fā)覺牛頓看的是物理，便支持他繼續(xù)念書。1661年6月考人劍橋?qū)W院三一大學(xué)。作為發(fā)放補貼金的“減費生”，他必須肩負侍奉個別富家子弟的任務(wù)。三一大學(xué)的巴羅（Isaac，1630～1677）院長是當時變革教育方法主持自然科學(xué)新講堂（盧卡斯講堂）的第一任院長，被稱為“歐洲最優(yōu)秀的學(xué)者”，對牛頓非常眷顧，引導(dǎo)他讀了許多前人的優(yōu)秀專著。1664年牛頓經(jīng)考試被選為巴羅的助手，1665年學(xué)院結(jié)業(yè)。
在1665～1666年，紐約流行霍亂的五年間，牛頓回到故鄉(xiāng)。這三年牛頓才氣橫溢，做出了多項發(fā)明。1667年重回劍橋?qū)W院，1668年7月獲碩士學(xué)位。1669年巴羅推薦26歲的牛頓繼任盧卡斯講堂院士，1672年成為皇家學(xué)會會員，1703年成為皇家學(xué)會終生會長。1699年卸任鑄幣局主任，1701年他辭去劍橋?qū)W院工作，因變革幣制有功，1705年被封為爵士。1727年牛頓去世于肯辛頓，尸體歸葬威斯敏斯特修道院。
牛頓的偉大成就與他的勤奮和勤勞是分不開的。他的助手H.牛頓說過，“他甚少在兩、三點前睡著，有時仍然工作到五、六點。夏天和初秋常常五、六個禮拜搬去實驗室，直至完成實驗。”他有一種常年堅持不懈集中精力透徹解決某一問題的習(xí)慣。他回答人們關(guān)于他洞察事物有何訣竅時說：“不斷地思索”。這正是他的主要特征。對此有許多故事留傳：他年幼時，曾一面牽牛上山，一面看書，到家后才發(fā)現(xiàn)手里只有一根繩；看書時定時煮豬肉結(jié)果將表和豬肉一同煮在鍋里；有一次，他請同學(xué)到家中喝水，自己卻在實驗室廢寢忘食地工作，再三催促仍不下來，當同學(xué)把一只雞吃完，留下一堆腿骨在盤中走了之后，牛頓才想起這事，可他看見盤中的腿骨后又豁然大悟地說：“我還以為沒有喝水，原先我已經(jīng)吃過了”。
牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整：“牛頓因為發(fā)明了萬有引力定理而成立了科學(xué)的天文學(xué)，因為進行了光的分解而成立了科學(xué)的光學(xué)，因為成立了二項式定律和無限理論而成立了科學(xué)的物理，因為認識了力的本性而成立了科學(xué)的熱學(xué)”。（牛頓在構(gòu)建萬有引力定理及精典熱學(xué)方面的成就詳見本指南相關(guān)條目），這兒注重從物理、光學(xué)、哲學(xué)（方式論）等方面的成就作一些介紹。
（1）牛頓的物理成就
17世紀以來，原有的幾何和代數(shù)已無法解決當時生產(chǎn)和自然科學(xué)所提出的許多新問題，比如：怎么求出物體的瞬時速率與加速度？怎樣求曲線的切線及曲線寬度（行星路程）、矢徑掃過的面積、極大極小值（如近期點、遠日點、最大射速等）、體積、重心、引力等等；雖然牛頓先前已有對數(shù)、解析幾何、無窮級數(shù)等成就，但還不能完滿或普遍地解決那些問題。當時笛卡兒的《幾何學(xué)》和瓦里斯的《無窮算術(shù)》對牛頓的影響最大。牛頓將古埃及以來求解無窮小問題的種種特殊方式統(tǒng)一為兩類算法：正流訓(xùn)詁（微分）和反流訓(xùn)詁（積分），反映在1669年的《運用無限多項等式》、1671年的《流訓(xùn)詁與無窮級數(shù)》、1676年的《曲線求積術(shù)》三篇論文和《原理》一書中，以及被保存出來的1666年10月他寫的在同學(xué)們中間傳閱的一篇原稿《論流數(shù)》中。所謂“流量”就是隨時間而變化的自變量如x、y、s、u等，“流數(shù)”就是流量的改變速率即變化率，寫作等。他說的“差率”“變率”就是微分。與此同時，他還在1676年首次公布了他發(fā)明的二項式展開定律。牛頓利甩它還發(fā)覺了其他無窮級數(shù)，并拿來估算面積、積分、解多項式等等。1684年萊布尼茲從對曲線的切線研究中引入了和拉長的S作為微積分符號，自此牛頓成立的微積分學(xué)在臺灣各國迅速推廣。
微積分的出現(xiàn)，成了物理發(fā)展中除幾何與代數(shù)以外的另一重要分支——數(shù)學(xué)剖析（牛頓稱之為“借助于無限多項等式的剖析”），并進一步進進發(fā)展為微分幾何、微分多項式、變分法等等，這種又反過來促使了理論化學(xué)學(xué)的發(fā)展。諸如英國J.伯努利曾征詢最速降落曲線的解答，這是變分法的最初始問題，半年內(nèi)全歐物理家無人能解答。1697年，三天牛頓碰巧據(jù)說此事，當日下午一舉解出，并匿名刊載在《哲學(xué)學(xué)報》上。伯努利驚異地說：“從這鋒利的爪中我認出了雄獅”。
（2）牛頓在光學(xué)上的成就
牛頓的《光學(xué)》是他的另一專科學(xué)精典專著（1704年）。該書用標副標題是“關(guān)于光的反射、折射、拐折和顏色的論文”，集中反映了他的光學(xué)成就。
第一篇是幾何光學(xué)和顏色理論（棱鏡波譜實驗）。從1663年起，他開始磨制透鏡和自制望遠鏡。在他送交皇家學(xué)會的信中報告說：“我在1666年初做了一個三角形的玻璃棱鏡，便于試驗?zāi)侵念伾F(xiàn)象。因此，我弄暗我的臥室……”接著詳盡表述了他開小孔、引陽光進行的棱鏡色散實驗。關(guān)于光的顏色理論從亞里士多德到笛卡兒都覺得白光純潔均勻，乃是光的本色。“色光乃是白光的變種。牛頓細致地注意到陽光不是像過去人們所說的三色而是在紅、黃、綠、藍、紫色之間還有橙、靛青等中間色共七色。奇怪的還有棱鏡分光后產(chǎn)生的不是方形而是長條橢圓形，接著他又試驗“玻璃的不同長度部份”、“不同大小的窗孔”、“將棱鏡置于外面”再通過孔、“玻璃的不平或碰巧不規(guī)則”等的影響；用兩個棱鏡正倒放置以“消除第一棱鏡的效應(yīng)”；取“來自太陽不同部份的光線，看其不同的入射方向會形成哪些樣的影響”；并“計算各式光線的折射率”，“觀察光線經(jīng)棱鏡后會不會沿曲線運動”；最后才做了“判決性試驗”：在棱鏡所產(chǎn)生的彩色帶中通過屏幕上的小孔取出單色光，再投射到第二棱鏡后，得出核色光的折射率（當時叫“折射程度”），這樣就得出“白光本身是由折射程度不同的各類彩色光所組成的非勻勻的混和體”。這個驚人的推論推翻了前人的學(xué)說，是牛頓細致觀察和多項反復(fù)實驗與思索的結(jié)果。在研究這個問題的過程中，牛頓還肯定：不管是伽利略望遠鏡（凹、凸）還是開普勒望遠鏡（兩個凸透鏡），其結(jié)構(gòu)本身都未能防止目鏡色散造成起的色差。他發(fā)覺經(jīng)過仔細碾磨后的金屬反射鏡面作為目鏡可放大30～40倍。1671年他將此鏡送皇家學(xué)會保存，至今的巨型天文望遠鏡仍用牛頓式的基本結(jié)構(gòu)。牛頓磨制及拋光精密光學(xué)鏡面的方式，至今仍是不少鞋廠光學(xué)加工的主要手段。
《光學(xué)》第二篇描述了光照射到疊放的凸透鏡和平面玻璃上的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的各類實驗。除形成環(huán)的誘因他沒有涉及外，他作了現(xiàn)代實驗所能想到的一切實驗，并作了精確檢測。他把干涉現(xiàn)象解釋為光行進中的“突發(fā)”或“切合”，即周期性的時而忽然“易于反射”，時而“易于透射”，他甚至測出這些等間隔的大小，如黃灰色之間有一種色光的突發(fā)間隔為1／89000英寸（即現(xiàn)在2854×10-10米），剛好與現(xiàn)代波長值5710×10-10米相差一半！
《光學(xué)》第三篇是“拐折”（他覺得光線被吸收）即衍射、雙折射實驗和他的31個疑惑。這種衍射實驗包括毛發(fā)絲、刀片、尖劈形單縫產(chǎn)生的單色窄光束“光帶”（今稱衍射圖樣）等10多個實驗。牛頓早已走到了重大發(fā)覺的大旁邊卻失之交臂。他的31個疑惑極具啟發(fā)性，說明牛頓在實驗事實和化學(xué)思想成熟前并不先作絕對的肯定。牛頓在《光學(xué)》一、二篇中視光為物質(zhì)流，即由光源發(fā)出的速率、大小不同的一群粒子，在雙折射中他假定這種光粒子有方向性且各向異性。因為當時波動說還解釋不了光的直進，他是傾向于粒子說的，但他覺得粒子與波都是假設(shè)。他甚至覺得以太的存在也是沒有按照的。
在流體熱學(xué)方面，牛頓強調(diào)流體黏性阻力與剪切率成反比，這些阻力與液體各部份之間的分離速率成反比，符合這些規(guī)律的（如、空氣與水）稱為牛頓流體。在力學(xué)方面，牛頓的冷卻定理為：當物體表面與周圍產(chǎn)生溫差時，單位時間單位面積上散失的熱量與這一溫差成反比。
在聲學(xué)方面，他強調(diào)波速與大氣浮力平方根成反比，與密度平方根成正比。他原先把聲傳播作為等溫過程對待，后來P.S.拉普拉斯糾正為絕熱過程。
（3）牛頓的哲學(xué)思想和科學(xué)方式
牛頓在科學(xué)上的巨大成就連同他的樸實的唯心主義哲學(xué)觀點和一套初具規(guī)模的數(shù)學(xué)學(xué)方式論體系，給數(shù)學(xué)學(xué)及整個自然科學(xué)的發(fā)展，給18世紀的工業(yè)革命、社會經(jīng)濟改革及機械唯心論思潮的發(fā)展以巨大影響。這兒只簡短繪制一些輪廓。牛頓的哲學(xué)觀點與他在熱學(xué)上的奠基性成就是分不開的，一切自然現(xiàn)象他都力圖熱學(xué)觀點加以解釋，這就產(chǎn)生了牛頓哲學(xué)上的自發(fā)的唯心主義，同時也造成了機械論的興起。事實上，牛頓把一切物理、熱、電等現(xiàn)象都看作“與吸引或抵觸力有關(guān)的事物”。比如他最早探討了物理親和力，把物理置換反應(yīng)描述為兩種吸引作用的互相競爭；覺得“通過運動或發(fā)酵而發(fā)熱”；火藥爆燃也是硫黃、炭等粒子互相猛烈撞擊、分解、放熱、膨脹的過程，等等。
這些機械觀，即把一切的物質(zhì)運動方式都歸為機械運動的觀點，把解釋機械運動問題所必需的絕對時空觀、原子論、由初始條件可以決定之后任何時刻運動狀態(tài)的機械決定論、事物發(fā)展的因果律等等，作為整個數(shù)學(xué)學(xué)的通用思索模式。可以覺得，牛頓是開始比較完整地構(gòu)建數(shù)學(xué)因果關(guān)系體系的第一人，而因果關(guān)系正是精典數(shù)學(xué)學(xué)的基石。牛頓在科學(xué)方式論上的貢獻正如他在數(shù)學(xué)學(xué)非常是熱學(xué)中的貢獻一樣，不只是成立了某一種或兩種新方式，而是產(chǎn)生了一套研究事物的方式論體系牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的意義，提出了幾條方式論原理。在牛頓《原理》一書中集中彰顯了以下幾種科學(xué)方式：
①實驗——理論——應(yīng)用的技巧。牛頓在《原理》序言中說：“哲學(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各類運動現(xiàn)象來研究各類自然之力牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的意義，而后用這種方去論證其他的現(xiàn)象。”科學(xué)史家I.B.Cohen正確地強調(diào)，牛頓“主要是將實際世界與其簡化物理表示反復(fù)加以比較”。牛頓是從事實驗和歸納實際材料的巨匠，也是將其理論應(yīng)用于天體、流體、引力等實際問題的能手。
②分析——綜合技巧。剖析是從整體到部份（如微分、原子觀點），綜合是從部份到整體（如積分，也包括天與地的綜合、三條運動定理的完善等）。牛頓在《原理》中說過：“在自然科學(xué)里，應(yīng)當像在物理里一樣，在研究困難的事物時，總是應(yīng)該先用剖析的方式，之后才用綜合的方式……。通常地說，從結(jié)果到緣由，從特殊緣由到普遍緣由，仍然論證到最普遍的誘因為止，這就是剖析的方式；而綜合的方式則假設(shè)緣由已找到，而且早已把它們定為原理，再用這種原理去解釋由它們發(fā)生的現(xiàn)象，并證明這種解釋的正確性”。③歸納——演繹技巧。上述剖析一綜合法與歸納一詮釋法是互相結(jié)合的。牛頓從觀察和實驗出發(fā)。“用歸納法去從中做出普通的推論”，即得到概念和規(guī)律，之后用詮釋法推表演種種推論，再通過實驗加以檢驗、解釋和預(yù)測，這種預(yù)言的大部份都在后來得到否認。當時牛頓敘述的定理他稱為公理，即表明由歸納法得出的普遍推論，又可用詮釋法去推表演其他推論。④物理——數(shù)學(xué)技巧。牛頓將數(shù)學(xué)學(xué)范圍中的概念和定理都“盡量用物理表演”。愛因斯坦說：“牛頓才第一個成功地找到了一個用公式清楚敘述的基礎(chǔ)，從這個基礎(chǔ)出發(fā)他用物理的思維，邏輯地、定量地詮釋出范圍很廣的現(xiàn)象而且同經(jīng)驗相符合”，“只有微分定理的方式能夠完全滿足近代化學(xué)學(xué)家對因果性的要求，微分定理的明確概念是牛頓最偉大的理性成就之一”。牛頓把他的書稱為《自然哲學(xué)的物理原理》正好說明這一點。
牛頓的方式論原理集中敘述在《原理》第三篇“哲學(xué)中的推理法則”中的四條法則中，此處不再轉(zhuǎn)引。概括上去，可以稱之為簡單性原理（法則1），因果性原理（法則2），普遍性原理（法則3），否證法原理（法則4，無例子證明者即創(chuàng)立）。有人還主張把牛頓在下一段話的思想稱之為結(jié)構(gòu)性原理：“自然哲學(xué)的目的在于發(fā)覺自然界的結(jié)構(gòu)的作用，而且盡可能把它們歸結(jié)為一些普遍的法規(guī)和通常的定理——用觀察和實驗來構(gòu)建這種法則，進而導(dǎo)入事物的緣由和結(jié)果”。
牛頓的哲學(xué)思想和技巧論體系被愛因斯坦贊為“理論化學(xué)學(xué)領(lǐng)域中每一工作者的綱領(lǐng)”。這是一個指引著一代一代科學(xué)工作者前進的開放的綱領(lǐng)。但牛頓的哲學(xué)思想和技巧論不可防止地有著顯著的時代局限性和不徹底性，這是科學(xué)處于幼年時代的最高成就。牛頓當時只對物質(zhì)最簡單的機械運動作了初步系統(tǒng)研究，而且把時空、物質(zhì)絕對化，試圖把粒子說外推到一切領(lǐng)域（如連他自己也不能解釋他所發(fā)覺的“牛頓環(huán)”），這種都是他的致命傷。牛頓在聽到事物的“第一緣由”“不一定是機械的”時，提出了“這些事情都是這樣地井井有條……是否似乎有一位……無所不在的上帝”的問題，（《光學(xué)》，疑惑29），并常年轉(zhuǎn)入神學(xué)的“科學(xué)”研究中，費了大量精力。并且，牛頓的歷史局限性和他的歷史成就一樣，都是啟迪后人不斷前進的教材
