偉大的英國物理學傢、數學傢、天文學傢。

  生平 1642年12月25日(新曆1643年1月4日)生於林肯郡的一個農農村傢庭。1661年進劍橋大學三一學院學數學,1665年畢業,獲學士學位。1667年進三一學院當研究生,次年獲碩士學位。1669年,牛頓受l.巴羅博士推舉而繼承他的數學教授職位。1689和1701年牛頓兩次作為劍橋大學代表被選入議會。1696年受聘擔任造幣廠監督。1703年起任英國皇傢學會會長。牛頓一生未婚。1727年3月20日(新歷3月31日)因腎結石癥在倫敦逝世。為瞭頌揚這位偉大的學者,當時英國著名詩人A.波普(1688~1744)為牛頓寫瞭一個碑銘,鑲嵌在牛頓出生的房屋墻壁上,大意是“道法自然,久藏玄冥;天降牛頓,萬物生明”。

  力學方面的貢獻 牛頓在伽利略等人工作的基礎上進行深入研究,總結出瞭物體運動的三個基本定律:①任何物體在不受外力或所受外力的合力為零時,保持原有的運動狀態不變,即原來靜止的繼續靜止,原來運動的繼續作勻速直線運動。②任何物體在外力作用下,運動狀態發生改變,其動量隨時間的變化率與所受的合外力成正比。通常可表述為:物體的加速度與所受的合外力成正比,與物體的質量成反比,加速度的方向與合外力的方向一致。③當物體甲給物體乙一個作用力時,物體乙必然同時給物體甲一個反作用力,作用力和反作用力大小相等,方向相反,而且在同一直線上。這三個非常簡單的物體運動定律,為力學奠定瞭堅實的基礎,並對其他學科的發展產生瞭巨大影響。第一定律的內容伽利略曾提出過,後來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後得出的。

  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。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,但采用瞭胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上,他用數學方法導出瞭萬有引力定律。

  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,創立瞭經典力學理論體系。正確地反映瞭宏觀物體低速運動的宏觀運動規律,實現瞭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:流體部分之間由於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。現在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。這個結論一般地說並不正確,但由於牛頓的權威地位,後人曾長期奉為信條。20世紀,T.von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。

  關於聲的速度,牛頓正確地指出,聲速與大氣壓力平方根成正比,與密度平方根成反比。但由於他把聲傳播當作等溫過程,結果與實際不符,後來P.-S.拉普拉斯從絕熱過程考慮,修正瞭牛頓的聲速公式。

  其他方面的貢獻 主要有以下四個方面:

  ①數學方面 牛頓在前人工作的基礎上,提出“流數(fluxion)法”,建立瞭二項式定理,並和G.W.萊佈尼茲幾乎同時創立瞭微積分學,得出瞭導數、積分的概念和運算法則,闡明瞭求導數和求積分是互逆的兩種運算,為數學的發展開辟瞭一個新紀元。

  ②光學方面 牛頓曾致力於顏色的現象和光的本性的研究。1666年,他用三棱鏡研究日光,得出結論:白光是由不同顏色(即不同波長)的光混合而成的,不同波長的光有不同的折射率。在可見光中,紅光波長最長,折射率最小;紫光波長最短,折射率最大。牛頓的這一重要發現成為光譜分析的基礎,揭示瞭光色的秘密。牛頓還曾把一個磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面,壓在一個十分光潔的平面玻璃上,在白光照射下可看到,中心的接觸點是一個暗點,周圍則是明暗相間的同心圓圈。後人把這一現象稱為“牛頓環”。他創立瞭光的“微粒說”,從一個側面反映瞭光的運動性質,但牛頓對光的“波動說”並不持反對態度。1704年,他出版瞭《光學》一書,系統闡述他在光學方面的研究成果。

  ③熱學方面 牛頓確定瞭冷卻定律,即當物體表面與周圍有溫差時,單位時間內從單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。

  ④天文學方面 牛頓1672年創制瞭反射望遠鏡。他用質點間的萬有引力證明,密度呈球對稱的球體對外的引力都可以用同質量的質點放在中心的位置來代替。他還用萬有引力原理說明潮汐的各種現象,指出潮汐的大小不但同月球的位相有關,而且同太陽的方位有關。牛頓預言地球不是正球體。歲差就是由於太陽對赤道突出部分的攝動造成的。

  牛頓的哲學思想基本屬於自發的唯物主義,他承認時間、空間的客觀存在。如同歷史上一切偉大人物一樣,牛頓雖然對人類作出瞭巨大的貢獻,但他也不能不受時代的限制。例如,他把時間、空間看作是同運動著的物質相脫離的東西,提出瞭所謂絕對時間和絕對空間的概念;他對那些暫時無法解釋的自然現象歸結為上帝的安排,提出一切行星都是在某種外來的“第一推動力”作用下才開始運動的說法。

  《自然哲學的數學原理》 牛頓最重要的著作,1687年出版。該書總結瞭他一生中許多重要發現和研究成果,其中包括上述關於物體運動的定律。他說,該書“所研究的主要是關於重、輕流體抵抗力及其他吸引運動的力的狀況,所以我們研究的是自然哲學的數學原理。”該書傳入中國後,中國數學傢李善蘭曾譯出一部分,但未出版,譯稿也遺失瞭。現有的中譯本是數學傢鄭太樸翻譯的,書名為《自然哲學之數學原理》,1931年商務印書館初版,1957、1958年兩次重印。