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日志

 
 

物理学家牛顿  

2012-12-03 08:07:27|  分类: 外国科学家 |  标签: |举报 |字号 订阅

牛顿

 

从“低能儿”到少年发明家

距今300 多年前,英国一座山村住宅里,诞生了一个体重仅仅3 磅的婴儿。接生婆和热心帮忙的人嘀咕着:“我看,孩子没什么存活的希望,但既然生下来了,也就只好尽力而为吧!”

产妇的不幸不仅来自这个体轻瘦弱的婴儿,而且还来自不久前故去的丈夫,她再也按捺不住内心的苦楚,她哭了,母亲的眼泪引起了小男婴的共鸣,他使出浑身力气却只能发出微弱的哭声。

这个先天不足的遗腹子就是后来成为科学巨人的牛顿。小牛顿两岁后由外婆抚养,6 岁时走进乡村小学。他体弱多病,性格腼腆,学习成绩全班倒数第几,老师把他看成“低能儿”,顽皮的学生也欺侮他。但是,牛顿意志坚强,有一股不服输的劲头。据说,一次有位功课拔尖的调皮大王朝牛顿的肚皮踢了一脚,牛顿遭凌辱后,暗自鼓起勇气,非要从功课上超过这个小霸王不可。他告诫自己说:“无论做什么事,只要肯努力,是没有不成功的。”经过刻苦学习,牛顿一跃而为全班第一名。

牛顿对学校老师讽刺、嘲骂甚至鞭笞学生的行为极为不满,他曾对外婆说:“学校是个奇怪的地方,我很讨厌到学校去。”玷污“学校”这一神圣名称的所作所为,给牛顿幼小的心灵蒙上一层阴影。他开始把主要精力用于课余生活,他喜欢亲自动手制作玩具,搞些小发明,也喜欢绘画和作诗。在牛顿的住房里,锯子、凿子、刨刀、铁锤应有尽有。他就是借助这些工具,提高了技能,拓宽了知识,还增强了体质。

秋风将树叶和树枝吹得飘落满园,牛顿好奇地捡起一根干树枝,并将它竖直地插在朝阳的地面上,他每隔一段时间趴下去看看树枝的影子。“小牛顿,该吃饭了!”外婆亲切地呼叫着自己的外孙,“外婆,我想还不到吃饭的时间,至少比昨天早30 分钟。”牛顿十分自信地回应着外婆的呼唤。“你怎么知道的?”“昨天在这里,今天是在这里啊!”牛顿指着地面上的阴影说。

冬天到了,庭园里显得那样沉寂和干净,牛顿观察“影子”的工作还没有停止。他突然发现庭院角落里的几块大石头,从而蒙生了新的念头。放学以后,牛顿拿起了凿子和锤子在一块石头上“吭吭”地敲凿起来。不怕寒风刺骨,也不顾石头粉末溅入眼帘的痛苦,牛顿日复一日地敲凿。善良的外婆看着外孙冻红的小手、伤痕斑斑的脸蛋,再也抑制不住多日来积下的疑问:“小牛顿,大冷的天气你没完没了地敲凿,究意想干什么啊!?”“马上会知道的,外婆!”牛顿头也不转地回答。小牛顿的耐性和自信,深深打动了外婆的心。

一天中午放学后,小牛顿飞奔归来并大声呼叫:“外婆!请来帮帮忙。”

一位9 岁的瘦弱少年和一位年过六旬的老妇,同心协力,成功地把一块石头圆盘竖立起来,并斜靠在墙上。看着外孙几十天的智慧结晶,外婆绽开了笑容:“好极了!好极了!它是一个精致的日晷仪。”

牛顿幼年时代制作的日晷仪,至今仍然原状保存在英国柯斯达教会,并嵌装在教堂的墙壁内。

少年的牛顿十分喜欢17 世纪欧洲的风车。在那个时候还没有蒸汽机和发电机,以风车为动力的磨粉机就很复杂了。他曾历尽艰辛、长途跋涉去看风车。进入风车磨房的牛顿,如饥似渴地观察着机器的每个部分,他看得是那么入神,那么仔细,似乎想把机器的结构全部印在自己的脑海里。归途中,朋友与他说话,他竟所答非所问,全神贯注在对风车和磨粉机结构造型的回忆中。

回到家中,牛顿一头躲进自己的住房,要把白天看到的一切画在图纸上,直至深夜这一工作才完成。他把图张贴在墙上,心满意足地观赏着一天的劳动成果,在暗淡的烛光中,牛顿显露出难得的笑容。

鼠疫的影响

正当牛顿在大学这一王国里创立了“数学花园”,并令他陶醉在数学迷宫中的时候,英国发生了一件大事:鼠疫流行。这种令人惶恐的传染病传播起来非常迅速,死者成千上万。

1665 8 月一个酷热的日子,牛顿的同窗好友威尔士从伦敦返回剑桥大学。一进宿舍,就摇着正在专心读书的牛顿的肩膀喊着说:“事情不好了!伦敦正因鼠疫陷入大混乱!”“数学花园”的主人缓缓抬起头来,楞楞地看着惊惶的室友:“这是伦敦的事情,与我们有什么关系?”牛顿低下头去,仍沉缅在攻读之中。“伦敦离我们很近啊!这座几十万人口的大都市,街道上静悄悄的不见人影,大家都躲在家里不敢外出。上周就死了7400 多人。”威尔士就耳闻目睹,愈谈愈激烈。牛顿终于不得不抬起头来,脑中却同时想着“光的色散”和“鼠疫流行”这两件事。

恐怖的黑死病(即鼠疫)风暴在横扫伦敦之后,蔓延到了剑桥,学校不得不关闭而停课。牛顿随着逃难的队伍回到自己的家乡沃尔索浦。

随着剑桥大学的关闭,研究学问之火也暂告熄灭。有的教授和学生被鼠疫夺去了宝贵的生命,活着的人也是在乡下过着无聊的生活。牛顿则不同,他在家乡研究学问的劲头一点也不亚于大学。他回到家乡的第二天,就把住房变成了实验室。从剑桥大学带来的棱镜、凸透镜、凹透镜、平面镜、球面镜、方解石、望远镜等等,真是应有尽有,琳琅满目。牛顿等不及阳光从窗口射入,便开始了“光的分解”的实验,一束白光透过三棱镜变成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光,映射到雪白的墙壁上,格外生辉。

牛顿不赞成某些学者从理论到理论的研究方法,而是想方设法制作仪器,用观察和实验的手段去探索规律,检验理论。为了深入了解天空中“虹”的成因,他靠勤劳的双手和精巧的技艺硬是把一块铜板磨洼而成凹面镜,并制造出放大40 倍的望远镜。科学界为了纪念他,决定将这种构型的望远镜定名为:牛顿反射式望远镜。

富有浪漫主义色彩的“苹果落地”的故事,据说也发生在牛顿的家乡沃尔索浦。在鼠疫流行的第二年夏季的一天,天气酷热,牛顿来到庭院,坐在一棵苹果树下思考着地球的引力问题,突然一个苹果从树上掉下来。对于这种理所当然的事情,竟激起他思潮翻滚,他想苹果在空间,哪一个方向都可飞去,为什么偏偏坠向地面。地球与苹果是相互吸引的,整个宇宙万物间都应有这种引力的作用。

大概是“因祸得福”吧!牛顿回乡的18 个月,竟成为他一生中最丰产的“季节”。在回忆这一段生活时,牛顿曾经写道:“1665 年,我发明了极数近似法,以及把任何幂的二项式化为这样一个极数的法则。同年,我还发明了格雷戈里和斯卢塞乌切线法。11 月,我发明了正流数(微分)法。次年元月,发现了颜色理论;5 月,开始研究反流数(积分)法。还是在这一年,我开始想把重力推广到月球的运行轨道上去,? .并得出引力与中心距离平方成反比的规律。所有这一切都是在16651666年鼠疫流行的年代里取得的。因为那两年我有充沛的精力去搞发明创造,而且比以后任何时候,我都更致力于数学和哲学的研究。”

多年的“修炼”

1661 5 月,一辆马车驶进剑桥大学。马车里有三位乘客:衣饰标致的高尚绅士,衣着华丽的年轻女士,另一位是衣着破旧的乡下青年。这位乡下青年——牛顿,满怀希望地走下马车,开始了他的大学生涯。

牛顿是以“减费生”的身份考入剑桥大学的。“减费生”,这是人们给那些得到某些优惠的穷学生的尊称。为此,他们得按照校方规定,殷勤地为那些富家子弟服务。牛顿上大学时的年龄比一般大学生大45 岁,人们把他称为晚熟的人。

牛顿的大学生涯并不舒心,可以说是坎坷不平。从入学的当天晚饭起,牛顿便开始了工读生的劳动。“牛顿同学,请布置餐桌。”一位老工读生对他说。身着白色长袍,腰系围裙的牛顿,从另一位工读生那里接来堆得高高的42 张盘子。厨房里冒出的蒸汽弥漫全屋,由于光线太暗,牛顿抱着盘子不敢走动。一个人厉声喊道:“快拿蜡烛去吧!”在这里,工读生的一举一动、一言一行都要十分小心。为了求得学问,牛顿认为当工读生也是值得的。

由于学校经费紧张,房屋得不到修缮,工读生的宿舍阴暗潮湿。回宿舍的路上,牛顿在迂回弯曲的走廊里怯怯地走着,好像通往一个永远黑暗的世界。牛顿对于剑桥大学的向往与亲临目睹的现实形成强烈的反差。但是,所有这些,对于习惯于贫穷的牛顿构不成任何威胁。最令他烦恼的却是学习愿望得不到满足,牛顿本来是抱着学习“力和运动方面”的知识来到大学的,当时的剑桥大学却没有人能讲授这门课,牛顿只好先学数学。

走廊的阴暗,食宿的低劣,劳动的艰苦很快被牛顿置于脑后。他的心在衡量,看学校里的哪个人最令他“惊异”。? .,牛顿推开房门,巴罗教授满脸笑容地迎接他。巴罗教授好像预感到牛顿的心思,便以安慰的口吻对他说:“学校是靠会员的会费维持的。由于革命的动乱,失去了许多大力支持的会员,去年复归王政,情况才稍有好转。不过,要恢复昔日盛况,恐怕得花几十年工夫呢!”“老师,我觉得学欧几里得几何,简直是多余的。”牛顿把话题一下子转移到意外的方向。教授以锐利的目光注视着牛顿的眼色。不久,牛顿引起了巴罗教授的注意。牛顿最突出的地方,是他对当时自然科学和数学的尖端成就有着快得出奇的理解能力。巴罗教授十分谦虚地说过,他对数学虽略有造诣,但和牛顿相比,只能算是一个小孩。

巴罗教授不愧是一位多才多识的“伯乐”,他发现了牛顿;牛顿也找到了令他“惊异”的人。师生协作得很好,巴罗教授指导牛顿先后钻研了开普勒的《光学》、欧几里得的《几何学原本》等名著。牛顿的非凡才华和惊人的毅力,使得他在光学、几何学的研究方面取得一些突破性进展。1665 年牛顿大学毕业,取得学士学位,在巴罗教授的举荐下,牛顿留校做研究工作。正当牛顿夜以继日、通宵达旦地学习和研究,并即将取得硕果的时候,一场鼠疫灾难席卷英国,牛顿被迫回到家乡。

1667 年复活节前后,牛顿重返剑桥大学,当年秋天他被选为选修课研究员;1668 3 月被任命为主修课研究员;同年被授予硕士头衔;1669 年成为数学教授,时年27 岁;同年,巴罗教授为了让牛顿晋升而辞去自己的职务,牛顿担任了卢卡斯讲座教授这一崇高的职位。

1661 年牛顿进入大学起,至 1696 年离开大学止,他一直生活在剑桥大学,在这漫长的35 年中,牛顿写下了许多名著。1687 年出版的《自然哲学的数学原理》,开创了自然科学发展史的新时期。牛顿工作勤奋,很少在半夜两三点钟以前睡觉,并且35 年如一日。他的助手汉弗莱在回忆牛顿时说:“在他看来,如果时间不用在学问上,那简直是犯罪”。他整天钻在研究室里,很少出来。牛顿沉默寡言,终生没有结婚。

谦卑的品格

令人厌烦的英国国会内动乱,使牛顿情绪很坏。牛顿决心超脱纷繁复杂的环境,埋头科学研究。历史上最伟大的著作《自然哲学的数学原理》,就是在政情不稳、困难重重的情况下写出的。

《原理》问世的那一年,国王决定把剑桥大学的名誉博士授予跟剑桥毫无关系的天主教教士佛朗西斯,剑桥的大多数评委屈服于强权,准备对佛朗西斯破格授衔。平时一言不发的牛顿,居然起来反对,诘难国王不当。由于牛顿的勇气,才使剑桥大学保持了其权威。牛顿在关键时刻不畏强权、刚正不阿的精神,受到公众舆论的赞赏。

正是由于牛顿在科学上功勋卓著,人际上正直坦诚,威信倍增。1703 11 30 日,牛顿被选为英国皇家学会会长,并年年连选连任,直到去世。

正当牛顿的事业腾飞之际,一件不幸的事件发生了!一日,牛顿和往常一样,深夜工作,整理有关光学近千次实验的数据,撰写论文。天色渐亮,疲惫不堪的牛顿急促地吹熄了蜡烛,休息片刻后,启程参加星期天礼拜。在祈祷的时候,他突然想起烛火可能没有完全熄灭。果然余烬烧着了桌上的纸,把堆积的重要原稿烧成了灰烬,幸而未酿成火灾。从教会赶回来的牛顿,见到满屋烟雾,吃了一惊,再看看那一堆纸灰,牛顿觉得吃不消了。他哀叹:苦心整理的光学讲义的原稿,这下子全完了。

这件事给了牛顿沉重的打击,牛顿的精神迟疑,眼光失去了昔日的光彩,加之过度劳累,脑力耗尽,他倒下了。

牛顿的精神刚刚复苏,永不停止思考的他,又着手地球、月球引力问题的研究。

牛顿有和凡人一样的酸甜苦辣,他也有精力耗尽的时候。1727 3 4日,牛顿参加完皇家学会会议回到家里时,病又发作了,这次发作是他的致命之因。3 20 日凌晨,牛顿结束了光辉灿烂的84 年的生涯。

在刻有肖像的纪念碑上,铭刻着后人对牛顿一生的评价:“埃萨克·牛顿爵士于此安眠。以自己发明的数学方法以及神般的智慧,揭示了行星的运动、彗星的轨道、海洋的潮汐;探究了任何人没预想到的光的分解和色的本性;解释了自然界运动的性质。他一生过着朴素的生活。这位值得夸赞的人物,岂不是全人类的光荣。”

与上述评价相映生辉的是牛顿的自我评价:“我之所以能够取得一点成就,那是由于我站在巨人们的肩上的原故;”“我不知道,在世人眼里我是什么样的人,但是在我自己看来,我不过像是在海边玩耍的孩子,为不时拣到一块比较光滑的卵石、一只比较漂亮的贝壳而喜悦,而真理的大海在我面前,却一点也没有被发现。”

这是何等谦恭的语言,对比科学巨人牛顿的所作、所为、所言,我们活着的人还有什么理由过高地评价自己,从而丧失锐意进取、奋勇拼搏的精神啊!

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