牛顿/科学大师启蒙文库pdf/txt下载_在线阅读全文

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《科学大师启蒙文库》，使我们**会重新回顾现代科学在中国传播扩散的具体过程，也对其中的遗憾和缺陷有了具体而明确的认识。有些重要科学家的著作，很少被介绍到中国来，一定程度上至少影响了更多的中国学人对其科学思想和方法的深入学习。此套文库，也是对此项遗憾的一个弥补。过去那种把科学普及单纯理解为讲讲科学家小故事，传播一些科学常识的初级阶段的做法，必须尽快予以升级。本套文库是了解科学大师的一扇窗口，泛读浏览，可以一窥大师思想之光华；精读研习，又可以从专业角度感知科学大师科学发现的思路历程，为未来的创新寻找思想和方法的启蒙。无论哪种方式，我们都乐于看到通过我们的工作能让读者朋友和大师对话，开启科学思想的启蒙之航。孙启贵编著的本册为《牛顿/科学大师启蒙文库》。

内容简介

孙启贵编著的《牛顿/科学大师启蒙文库》为科学大师启蒙文库之一。本书主要介绍了世界著名科学大师牛顿的科学思想、伦理道德、社会生活、科学成长之路及重大科学贡献。书前有介绍牛顿的生平简介和评述，书末有牛顿的著作年表。
《牛顿/科学大师启蒙文库》均以牛顿原创著作为主，收录后整理分类，以使读者能在较短时间里熟识这位科学大师的丰功伟绩。

目　　录

科学思想
哲学中的推理规则
实验的方法
知觉
论假说
科学活动
关于反射式望远镜
关于光和色的新理论
关于颜色的科学
涉及光和色的理论的假说
关于以太和重力
与罗伯特·胡克的论战(Ⅰ)
与罗伯特·胡克的论战(Ⅱ)
社会工作和生活中的言论

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前　　言

伊萨克·牛顿（Isaac Newton，1642~1727）是英国伟大的物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家。他被公认为是近代科学革命的完成者、经典力学的主要奠基者、微积分最早和主要的发明者、理论物理和现代光学的开创者，此外，他还是一位卓越的科研组织者和领导者。牛顿的这些伟大成就使他在科学史乃至人类思想史上都享有极高的声誉和威望。
1642年12月25日，牛顿出生于英格兰林肯郡沃尔索普村一个自耕农家庭。也许是历史的巧合，牛顿出生的日子恰好是耶稣降生日。无独有偶，一代科学巨匠伽利略恰好在这一年逝世。据说，牛顿是个早产儿，出生时不足3磅，这个接生婆和亲人都担心能否活下来的小家伙，日后却给人类带来了众多伟大的科学发现，成为影响后世数百年的科学巨人。

伊萨克·牛顿（Isaac Newton，1642~1727）是英国伟大的物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家。他被公认为是近代科学革命的完成者、经典力学的主要奠基者、微积分最早和主要的发明者、理论物理和现代光学的开创者，此外，他还是一位卓越的科研组织者和领导者。牛顿的这些伟大成就使他在科学史乃至人类思想史上都享有极高的声誉和威望。 
     1642年12月25日，牛顿出生于英格兰林肯郡沃尔索普村一个自耕农家庭。也许是历史的巧合，牛顿出生的日子恰好是耶稣降生日。无独有偶，一代科学巨匠伽利略恰好在这一年逝世。据说，牛顿是个早产儿，出生时不足3磅，这个接生婆和亲人都担心能否活下来的小家伙，日后却给人类带来了众多伟大的科学发现，成为影响后世数百年的科学巨人。 
     牛顿的父亲在结婚几个月后就撒手人寰，留下了在母亲腹中怀胎还尚未出生的牛顿。牛顿4岁那年，母亲再嫁，年幼的牛顿只好与外祖母相依为命。童年的不幸养成了牛顿孤僻冷漠的性情，所幸的是，牛顿还存在着热爱大自然的天性。他的家乡沃尔索普风光恬静秀丽，以清澈的泉水而闻名。在家乡如诗如画的田园风光中，牛顿找到了童年的乐趣：他与野兔、画眉和蝴蝶嬉戏，悉心观察大自然一切有趣的现象。与伽利略相似，牛顿很小就痴迷于设计和制造各种器具，并表现出相当高的水平，这培养了他的动手能力和创造能力。大约在5岁时，牛顿被送往公立学校就读，13岁时进了离家不远的格兰瑟姆中学。少年的牛顿，最初并未显露出超乎其他孩子的出众才能，中学成绩也只是一般，甚至被人认为比较“呆”，有些怪异。但牛顿酷爱读书，喜欢沉思，对自然现象有强烈的好奇心，尤其喜欢几何学、哥白尼的日心说，喜欢自己搞些小发明，做些小试验。一次与同学打架的偶然事件激发了牛顿的自尊心，从此，他发奋学习，很快就成为名列前茅的学生。1656年，牛顿继父去世，母亲带着3个孩子回到沃尔索普，并把已经长大的牛顿接回家，让他辍学回家务农和做买卖，但牛顿对务农毫无兴趣，一有空就潜心读书。据说，牛顿刻苦学习的精神感动了舅父。于是，舅父劝他母亲送他回校读书。中学毕业时，校长自豪地夸奖牛顿是学校最优秀的学生。1661年，在恩师史托克和舅父的帮助下，牛顿成功考入剑桥大学三一学院，获得了减费生的资格。在大学时期，牛顿的导师是本杰明·普莱恩（Benjamin Pulleyn）。不过，真正引导牛顿踏进科学大门的，是剑桥大学卢卡斯数学讲座的首任教授伊萨克·巴罗（Isaac Barrow）。在巴罗指导下，牛顿如饥似渴的阅读了数学、光学、力学、天文学和哲学等方面的大量著作，如欧几里得的《几何原本》、笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》、沃利斯的《无穷算术》、巴罗的《数学讲义》以及开普勒的《光学》、伽利略的《两大世界体系的对话》、胡克的《显微图集》等。牛顿忘我地遨游于知识的海洋，深受启发，思路大开。牛顿开始用实验和数学计算和验证前人的理论和结果。巴罗对牛顿的才华极为赏识，1664年，牛顿成为巴罗的助手和公费生，这使得牛顿可以继续有保障的攻读更高的学位。1665年，牛顿以优异成绩获得剑桥大学学士学位。同年6月，伦敦发生一场历史上罕见的鼠疫，剑桥大学唯恐波及，只好停课。 
    牛顿和其他同学一样，返回家乡。在家乡的18个月，成了牛顿科学生涯的黄金岁月。在家乡悠闲安静的环境中，牛顿从容地思考着从剑桥带回来的各种科学问题，并精心地进行各种试验和计算工作，提出和发现了许多令人惊叹的新思想和科学发现，微积分、光学理论、万有引力定律等都是在这段短暂而神奇的岁月中孕育而生的，并奠定了牛顿一生的研究方向和理论基础。牛顿在回忆这段生活时写道：“1665年初，我发明了级数近似法，以及把任何幂的二项式化为这样一个级数的规则。同年5月，我发明了格雷戈里和斯卢赛乌斯切线法。11月，发明了正流数(微分)法；次年元月，发明了颜色理论，5月，开始研究反流数(积分)法。这一年里，我还开始想到把重力推广到月球的运行轨道上去(在知道了怎样来确定一个在球体中旋转着的圆形物对球面的力之后)，我就从开普勒定律……中推导出，使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比；而后把使月球保持在它轨道上所需要的力和地球表面的重力作了比较，发现它们近似相等。所有这一切都是在1665和 1666年瘟疫流行的年代发现的。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。”正因为如此，后来人们将牛顿在家乡躲避瘟疫的18个月称作改变世界的18个月。1667年复活节后不久，牛顿从故乡返回剑桥。同年10月当选为三一学院的仲院侣（初级委员），翌年 3月成为正院侣（高级委员），7月又获硕士学位。 
    1969年10月，巴罗提前退休并推荐年仅26岁的牛顿继任卢卡斯数学讲座教授。巴罗善识千里马的故事，也成为科学史和教育史上广为流传的佳话。 
     牛顿在自然科学发展史上的伟大贡献是，实现了自然科学的第一次综合，从而奠定了近代科学的基础，他所倡导的科学精神和科学方法成为后世科学突飞猛进的催化剂。牛顿一生涉猎了当时包括神学在内的几乎所有学术领域，而彪炳史册的最主要贡献则是微积分、光学和力学大厦的构建。在牛顿的所有科学贡献中，数学成就占有突出地位。牛顿具有无可比拟的数学天赋。1665年，年仅22岁的牛顿发现了他数学生涯中的第一项创造性成果——二项式定律，该定律已经成为人们学习和研究数学时必须掌握的一条基本定律。牛顿最卓越的数学成就是发明微积分。牛顿是在研究运动问题时，创立了这种与物理问题有直接联系的数学理论，牛顿称之为“流数术”。牛顿在前人的基础上，将自古希腊以来，求解无限小问题的各种技巧统一为两类不同的算法——微分和积分，并确定了这两类特殊运算的互逆关系。微积分的发明开创了数学史上的新纪元，为近代科学的发展提供了强有力的数学工具。关于微积分发现的优先权，在莱布尼兹和牛顿之间还引发了一场激烈的争论，以致造成了欧洲大陆国家和英国数学家之间的长期对峙，并严重影响了后来英国数学的发展。现在，科学史家已普遍形成共识：微积分是牛顿和莱布尼兹各自相互独立地建立起来的。牛顿的研究可能比莱布尼兹要早，但他没有及时发表；而莱布尼兹关于微积分的著作发表的时间要比牛顿早，而且其表达形式更加合理。 
     牛顿对光学的研究，打开了近代光学的大门。牛顿很早就以极大的热情和浓厚的兴趣投入到对光学的研究中，1666年在家乡休假期间，他利用三棱镜进行了著名的色散实验，发现了太阳光谱是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光混合而成。牛顿不仅擅长数学计算，而且动手制作实验设备的能力也极强。 
    1668年，他制成第一架反射式望远镜样机，1671年，牛顿将经过改进的反射式望远镜献给英国皇家学会，获得了广泛的声誉，并被选为英国皇家学会会员。反射式望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。1704年，牛顿的《光学》正式出版，提出了光的微粒说，认为光是由微粒构成的。光的微粒说与后来惠更斯提出的波动说并称为光学的两大基本理论，促进了近代光学的发展。在光学方面，除了以上三大贡献外，牛顿还有一些其他的重要成就，如颜色理论和薄膜光环理论等。因此，牛顿作为近代光学的奠基人之一，也是当之无愧的。 
     牛顿是经典力学理论的集大成者。他站在伽利略、开普勒和惠更斯等科学巨人的肩膀上，成功地总结和发现了著名的牛顿三大定律和万有引力定律。关于万有引力定律，还有一段富有浪漫色彩的故事。据说，牛顿是受到苹果落地的启发而想到“万有引力”的，剑桥大学三一学院博物馆中至今还陈列着那棵苹果树的一段枝干，以示纪念。不管这段故事真假与否，它却告诉我们一个深刻的道理，表面上看似是牛顿偶然想到的，背后则是牛顿长期思索和探究的结果。在哈雷的敦促下，1687年，牛顿写成并出版了他的划时代的不朽著作《自然哲学之数学原理》（《Philosophiae Naturalis Principia Mathematica》）。这一年，牛顿还不满45岁，但却进入了科学发现的巅峰时期。在这部鸿篇巨著中，牛顿从质量、动量、力和惯性等基本概念和三大运动基本定律出发，运用微积分这一锐利的数学工具，成功地证明了万有引力定律，构建了一个完整而严密的经典力学体系，将天体力学和地上的物体力学完全统一起来了，实现了物理学史上的第一次大综合。他所建立的力学体系不仅能解释已有理论能够说明的现象，如充分地解释伽利略发现的惯性定律和自由落体定律，而且能说明并解释已有理论不能说明的现象，如圆满地解释了开普勒的行星运动三定律。更重要的是，牛顿的力学理论还可以预见新的物理现象和物理事实，并能以天文观测或实验证实它们的正确性。在万有引力理论的基础上，人们后来发现并证实了海王星和冥王星的存在，两大行星的发现成为牛顿理论的有力证明。牛顿力学既可以说明地面上的物质运动，又可以解释太阳系中的行星运动，从而充分显示了科学理论这一普遍法则对自然规律的深刻认识。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果，而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。马克思曾指出，18世纪臻于完善的力学是“大工业的真正科学的基础。”（见马克思《资本论》，《马克思恩格斯全集》第２６卷第２册第１１６页）。而这个“科学的基础”的最主要而且也是最重要的部分就是牛顿力学。 
     除了以杰出的科学成就闻名于世之外，牛顿还曾在英国皇家造币厂任职，这一工作一直担任到去世前不久，共31年，为英国的钱币事业做出过卓越的贡献。1696年3月，经时任财政大臣的朋友查尔斯?蒙塔古推荐，牛顿被国王任命为造币厂督办。三年之内，由于牛顿的出色工作，英国的币制改革进展非常顺利，经济秩序很快稳定，比原计划大大提前。牛顿也因此受到财政部的高度赞扬和英女王的褒奖，并升任为终身“皇家造币厂厂长”。这是一个年薪2000英镑的政府高职，比剑桥大学的年薪高出十倍。由于造币厂的工作十分繁忙，牛顿于1701年辞去剑桥大学的教授职位。他还再次当选为国会议员，并被作为上院的剑桥代表。1703年11月30日，牛顿当选为英国皇家学会主席，从此一直连选连任五届直至去世，达25年之久，成为英国皇家学会历史上任期最长的主席。尽管有人批评牛顿在担任皇家学会主席期间相当专制，压制不同意见和抑制年轻人，但他依然被公认为英国皇家学会历史上最负责和最有成就的主席之一。1705年英国女王安娜授予牛顿勋爵称号，他是英国历史上第一位获此殊荣的科学家，从此人们尊称他为伊萨克?牛顿爵士。 
     在科学研究上硕果累累的牛顿却终身未娶。据说，年轻时的牛顿曾经在爱情上遭遇过挫折，自尊心受到伤害，从此他立志科学事业，再未婚娶。但牛顿的晚年生活并不孤寂，他的外甥女一直悉心照料他的生活，身体健康，精神矍铄，思维敏捷。1722年，他开始患有老年病症，在助手帮助下，牛顿依然坚持修改《原理》第三版。1727年3月20日，在最后一次主持了皇家学会会议后，牛顿在沉睡中与世长辞。牛顿逝世后，获得了极高的荣誉。3月28日，他的遗体以国葬礼隆重地安葬在英国伦敦威斯敏斯特教堂内。牛顿是人类历史上第一个获得国葬的自然科学家。为了纪念牛顿的功勋，牛顿长期工作过的造币厂发行了一枚牛顿纪念章。 
     值得指出的是，牛顿也曾是引起科学史家诸多争议的人物。争论的焦点主要集中在牛顿晚年潜心研究神学并提出“上帝的第一推动”的观点，这一时期牛顿的科学成就较为少见，人们为此感到惋惜。事实上，牛顿的神学研究，根本目的还是为科学研究扫清障碍。据有关科学史家的考证，牛顿在科学上所说的‘ 上帝’实质上是指那些尚不了解的自然——上帝而言，上帝即是指尚不了解的最终原因。这正是牛顿的谨慎和严谨之处，应该说，牛顿提出了一个直到今天依然需要深入研究的科学问题。另一引起争议的问题是，他与莱布尼兹就微积分发现优先权曾进行过长期激烈的争论。对此，科学社会学家也有分析，认为这是科学共同体内部寻求承认的规范使然，与个人道德无关。 
     毫无疑问，牛顿一生在科学上取得的巨大成就，在科学史上几乎是无与伦比的。但他自己却非常谦逊。他曾说：“我不知道世上的人对我如何评价。我却这样认为，我好像站在海滨玩耍的孩子，时而拾到几块莹洁的石子，时而拾到美丽的几片贝壳并为之欢欣。那浩瀚的真理海洋仍然在我的前面未被发现。”伟大的牛顿以他的杰出贡献在人类文明史上树立了一座丰碑，他的科学发现和科学思想标志着人类文明的新转折。正如亚历山大·波普所说：“自然界和自然界的定律隐匿在黑暗之中，上帝说‘生个牛顿吧！’，于是一切成为光明。”很久以来，人们对牛顿这个名字已经非常熟悉，牛顿提出的科学理论也通过各种形式在课本里反复出现，但人们却很少有机会能够一睹牛顿原著的风采，为此，我们选编了这本《科学大师启蒙文库·牛顿》一书，使得大家能够通过阅读牛顿的原著，对牛顿的一生及其伟大的科学贡献能有更加深入具体的认识和理解，也对人类科学的进步，有更为直观的感悟。

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涉及光和色的理论的假说在我给胡克先生的答复中，我有机会谈到有关假设的一些事，在那里我提出了为什么一切认真组成而可接受的假设都应该合乎我的理论的理由，并且在谈到胡克先生的假设时，我就认为它是以这样的方式最自由而最自然地应用于各种现象上的；那就是“物体被激动的部分，按照它们的大小、形状和运动方式的不同，确实在以太中激起不同深度和大小的振动，这些振动通过这媒质混杂地传到我们的眼睛中来，引起一种白色光的感觉。但是如果用任何一种方法把不同大小的振动彼此分开，那么最大的将产生一种红色的感觉，最小或最短的将产生一种深紫的感觉，而中间的那些振动则产生中间的颜色，很像声音产生的那样，物体按照其大小，形状和运动方式的不同，在空气中激起不同大小的振动，这些振动按照其不同大小发出不同音调的声音等等”。正如我上次在你们的一次集会上从胡克先生的讲演中所理解的那样，我高兴地知道，他已经改变了他以前关于一切颜色都由两种原始颜色组成，而且这两种原色由一种斜向脉冲的两侧所造成的观点，而将他的假设适应于我对颜色所提出的建议，就是说，颜色像声音一样，也是按照脉冲大小的不同而不同的。我认为这个建议是比以前的著述者所描述过的任何其他假说更为可取的一个假说，因为如果不求助于以太的脉冲，我就不知道怎样能很好地去说明透明薄片或皮层的各种颜色。但是我更喜欢的是另外一个假说。关于这个假说我在那同一封信中曾有机会用下面这些话略为暗示过：“如果我提出过光是一种物体这样一个假说，那么这个假说就和反对者自己所提出的那个假说有着比他似乎所知道的更多得多的相似性，以太的振动在这个假说中和在他的假说中是一样有用和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的物体的话，那么当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正像石块被投到水中时要引起振动一样。

涉及光和色的理论的假说 在我给胡克先生的答复中，我有机会谈到有关假设的一些事，在那里我提出了为什么一切认真组成而可接受的假设都应该合乎我的理论的理由，并且在谈到胡克先生的假设时，我就认为它是以这样的方式最自由而最自然地应用于各种现象上的；那就是“物体被激动的部分，按照它们的大小、形状和运动方式的不同，确实在以太中激起不同深度和大小的振动，这些振动通过这媒质混杂地传到我们的眼睛中来，引起一种白色光的感觉。但是如果用任何一种方法把不同大小的振动彼此分开，那么最大的将产生一种红色的感觉，最小或最短的将产生一种深紫的感觉，而中间的那些振动则产生中间的颜色，很像声音产生的那样，物体按照其大小，形状和运动方式的不同，在空气中激起不同大小的振动，这些振动按照其不同大小发出不同音调的声音等等”。正如我上次在你们的一次集会上从胡克先生的讲演中所理解的那样，我高兴地知道，他已经改变了他以前关于一切颜色都由两种原始颜色组成，而且这两种原色由一种斜向脉冲的两侧所造成的观点，而将他的假设适应于我对颜色所提出的建议，就是说，颜色像声音一样，也是按照脉冲大小的不同而不同的。我认为这个建议是比以前的著述者所描述过的任何其他假说更为可取的一个假说，因为如果不求助于以太的脉冲，我就不知道怎样能很好地去说明透明薄片或皮层的各种颜色。但是我更喜欢的是另外一个假说。关于这个假说我在那同一封信中曾有机会用下面这些话略为暗示过：“如果我提出过光是一种物体这样一个假说，那么这个假说就和反对者自己所提出的那个假说有着比他似乎所知道的更多得多的相似性，以太的振动在这个假说中和在他的假说中是一样有用和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的物体的话，那么当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正像石块被投到水中时要引起振动一样。 
    我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度或厚度。至于它们对于诸如反射和折射的方式，太阳光束的产生热量，燃烧着的、腐烂着的或其他一些其部分受到猛烈激动的物质的能发光，透明薄片和水泡以及其他自然物体的各种现象，视觉的方式，以及颜色的差异与它们的和谐和失调等现象的说明有何用处，我将留给那些认为值得努力去把这个假说应用于解释各种现象的人们自己去思考。”如果我要提出一种假说，那么它应该是这样，它将不是用来决定光是什么，而是更一般地要说明在以太中能激起振动的是这样或那样的东西，因为只有这样它才能如此普遍而无所不包，以致把其他的假说也都包罗在内，而不需要创造什么新的假说。所以，由于我看到过一些了不起的能手都热衷于寻找假说，好像我的论述缺乏一种假说能说明上述现象似的，而且我还发现当我抽象地谈到光和颜色的本性时，有些人并不懂得我的意思，但当我谈到应当用某种假说去说明它们时，人们却很快地理解了它，因此，我就认为有必要寄给你一份对这个假说的细节的说明，它也可以用来作为这里附上的几篇论文的解释。虽然我将既不采用这个也不采用任何其他一个假说，而且认为没有必要去关心我所发现的光的一些性质是否可用这个假说，或者用胡克先生的假说，或者用任何其他的假说去说明它们，但是当我叙述这个假说时，为了避免多费唇舌，并且更加恰当地把它表达出来，我将有时谈得好像我已采用了它，并且好像我还力图说明它，使人们去相信它。我认为我应当表明这一点，以使人们不致把我的议论和我的其他议论混淆起来，或者用其中的一个来量度另一个的可靠性，或者认为我有责任答复那些对这篇文章所提出的非议，因为我不愿卷进这样一场引起烦恼而没有意义的争论中去。 
     现在就让我们来讨论这个假说：1．在这假说中必须假定有一种以太媒质，它的结构和空气十分相似，但要稀薄得多，精细得多，而且更有弹性。关于这种媒质的存在，在抽去空气的玻璃容器中的一个摆几乎能运动得和在大气中一样的快，就是一个并非无关紧要的论证。但是不能认为这媒质是一种均匀的物质，而是部分由迟钝的以太主体，部分由其他各种以太气精所组成，很像空气是由迟钝的空气主体和混在其中的各种蒸汽与气体所组成一样。因为电的和磁的流质，以及重力的本原，似乎都为这种多样性提供了证明。或许自然界的整个构造，可能只是某些以太气精或蒸汽像在沉淀过程中那样凝结而成的各种结构，这很像蒸汽的凝结成水，或者像呵气的凝结成较粗大一些的物质那样，只是没有那么容易凝结而已。凝结之后形成不同的形状，这最初是由于创世主的直接插手，此后则永远是由于自然的力量所致，因为自然在“ 增加和繁殖”的命令下就成为原形质给它规定的范本的忠实仿造者。因此，可能一切东西都导源于以太。 
     P26-28

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