63.感慨-《科技夢境》
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當西元1727年牛頓以85歲的高齡過世時,英國人將他葬于西敏寺。西敏寺的前身是一個修道院,1579年,英國女王伊麗莎白一世將西敏寺改為學院,校長由英國君主任命。西敏寺的正式名稱因此改為“威斯敏斯特圣彼得學院教堂”,其后三個世紀,西敏寺成為牛津與劍橋之后的第三所英國高等學府。詩人亞歷山大·波普(alexanderpope)為牛頓寫下了以下這段墓志銘:natureandnature'lawlayhidinnight;godsaid,"letnewtonbe,"andallwaslight。自然與自然的定律,都隱藏在黑暗之中;上帝說"讓牛頓來吧!"于是,一切變為光明。
九百多年來,西敏寺除了供信徒作禮拜、祈禱、膜拜之外,也是英國慶典的重要場所。英國的社會名流無不以死后能安葬于此為榮耀。而根據統計,占地面積達2972平方米的西敏寺(威斯敏斯特圣彼得學院教堂)內,安葬了共三千三百多人,包括很多當代的知名人士,如:達爾文、狄更斯、牛頓、丘吉爾……無數位在英國有著深遠影響的歷史人物都安息在西敏寺中,也有許多名人,本身并沒葬在這里,卻有寫上其名字的石板子嵌在地上作為紀念。而里頭最著名的便是牛頓,他是人類歷史上第一個獲得國葬的自然科學家。
他的墓地位于威斯敏斯特教堂正面大廳的中央,也就是中殿(nave)那里,墓地上方聳立著一尊牛頓的雕像,其石像倚坐在一堆書籍上,雙手沒有合十。身邊有兩位天使,還有一個巨大的地球造型以紀念他在科學上的功績。
不管牛頓的生平有過多少謎團和爭議,但這都不足以降低牛頓的影響力。1726年,伏爾泰曾說過牛頓是最偉大的人,因為“他用真理的力量統治我們的頭腦,而不是用武力奴役我們”。
事實上,如果你查閱一部科學百科全書的索引,你會發現有關牛頓和他的定律及發現的材料要比任何一位科學家都多二到三倍。萊布尼茨并不是牛頓的朋友,他們之間曾有過非常激烈的爭論。但他寫道:“從世界的開始直到牛頓生活的時代為止,對數學發展的貢獻絕大部分是牛頓做出的?!眰ゴ蟮姆▏茖W家拉普拉斯寫到:“《原理》是人類智慧的產物中最卓越的杰作。”拉格朗日經常說牛頓是有史以來最偉大的天才。
在美國學者麥克·哈特所著的《影響人類歷史進程的100名人排行榜》,牛頓名列第2位,僅次于穆罕默德。書中指出:在牛頓誕生后的數百年里,人們的生活方式發現了翻天覆地的變化,而這些變化大都是基于牛頓的理論和發現。在過去500年里,隨著現代科學的興起,大多數人的日常生活發生了革命性的變化。同1500年前的人相比,我們穿著不同,飲食不同,工作不同,更與他們不同的是我們還有大量的閑暇時間。科學發現不僅帶來技術上和經濟上的革命,它還完全改變了政治、宗教思想、藝術和哲學。
2003年,英國廣播公司在一次全球性的評選最偉大的英國人活動當中,牛頓被評為最偉大的英國人之首。在《偉大的英國人》系列紀錄片中專門編輯了牛頓專集的歷史學家特里斯特拉姆·亨特表示:“全球的公眾意識到牛頓的成就是世界性的,而且對全人類都產生影響。這些投票者顯然都跨越了國界,他對于牛頓的一馬當先感到高興?!?
1679年,牛頓重新回到力學的研究中:引力及其對行星軌道的作用、開普勒的行星運動定律、與胡克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》(1684年)一書中,該書中包含有初步的、后來在《原理》中形成的運動定律。
《自然哲學的數學原理》(現常簡稱作《原理》)在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版于1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其后兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞“gravitas”(沉重)來為現今的引力(gravity)命名,并定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基于波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。
由于《原理》的成就,牛頓得到了國際性的認可,并為他贏得了一大群支持者:牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒建立了非常親密的關系,直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。
牛頓在伽利略等人工作的基礎上進行深入研究,總結出了物體運動的三個基本定律(牛頓三定律):
第一定律(即慣性定律)
任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時(fnet=0),總保持勻速直線運動或靜止狀態,直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態為止。
第二定律
1牛頓第二定律是力的瞬時作用規律。力和加速度同時產生、同時變化、同時消逝。2f=ma是一個矢量方程,應用時應規定正方向,凡與正方向相同的力或加速度均取正值,反之取負值,一般常取加速度的方向為正方向。3根據力的獨立作用原理,用牛頓第二定律處理物體在一個平面內運動的問題時,可將物體所受各力正交分解,在兩個互相垂直的方向上分別應用牛頓第二定律的分量形式:fx=max,fy=may列方程。
牛頓第二定律的六個性質:1因果性:力是產生加速度的原因。2同體性:f合、m、a對應于同一物體。 3矢量性:力和加速度都是矢量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定。牛頓第二定律數學表達式∑f=ma中,等號不僅表示左右兩邊數值相等,也表示方向一致,即物體加速度方向與所受合外力方向相同。4瞬時性:當物體(質量一定)所受外力發生突然變化時,作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時發生突變;當合外力為零時,加速度同時為零,加速度與合外力保持一一對應關系。牛頓第二定律是一個瞬時對應的規律,表明了力的瞬間效應。5相對性:自然界中存在著一種坐標系,在這種坐標系中,當物體不受力時將保持勻速直線運動或靜止狀態,這樣的坐標系叫慣性參照系。地面和相對于地面靜止或作勻速直線運動的物體可以看作是慣性參照系,牛頓定律只在慣性參照系中才成立。6獨立性:作用在物體上的各個力,都能各自獨立產生一個加速度,各個力產生的加速度的失量和等于合外力產生的加速度。
適用范圍:1只適用于低速運動的物體(與光速比速度較低)。2只適用于宏觀物體,牛頓第二定律不適用于微觀原子。3參照系應為慣性系。兩個物體之間的作用力和反作用力,在同一直線上,大小相等,方向相反。(詳見牛頓第三運動定律)
第三定律
表達式 f=-f' (f表示作用力,f'表示反作用力,負號表示反作用力f'與作用力f的方向相反)
這三個非常簡單的物體運動定律,為力學奠定了堅實的基礎,并對其他學科的發展產生了巨大影響。第一定律的內容伽利略曾提出過,后來r.笛卡兒作過形式上的改進,伽利略也曾非正式地提到第二定律的內容。第三定律的內容則是牛頓在總結c·雷恩、j·沃利斯和c·惠更斯等人的結果之后得出的。
牛頓是萬有引力定律的發現者。他在1665~1666年開始考慮這個問題。萬有引力定律(lawofuniversalgravitation)是艾薩克·牛頓在1687年于《自然哲學的數學原理》上發表的。1679年,r·胡克在寫給他的信中提出,引力應與距離平方成反比,地球高處拋體的軌道為橢圓,假設地球有縫,拋體將回到原處,而不是像牛頓所設想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信,但采用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上,他用數學方法導出了萬有引力定律。
牛頓把地球上物體的力學和天體力學統一到一個基本的力學體系中,創立了經典力學理論體系。正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規律,實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。
牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比。他說:流體部分之間由于缺乏潤滑性而引起的阻力,如果其他都相同,與流體部分之間分離速度成比例。在此把符合這一規律的流體稱為牛頓流體,其中包括最常見的水和空氣,不符合這一規律的稱為非牛頓流體。
在給出平板在氣流中所受阻力時,牛頓對氣體采用粒子模型,得到阻力與攻角正弦平方成正比的結論。這個結論一般地說并不正確,但由于牛頓的權威地位,后人曾長期奉為信條。20世紀,t·卡門在總結空氣動力學的發展時曾風趣地說,牛頓使飛機晚一個世紀上天。
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