偉大的英國物理學傢、天文學傢、數學傢。

  生平 1642年12月25日(新曆1643年1月4日)生於林肯郡,幼年時代就喜歡製作機械玩具。1661年進劍劍橋大學三一學院學數學,1665年獲文學士學位。1667年他進三一學院當研究生,次年獲碩士學位。1669年牛頓受到數學教授巴羅博士的推薦,繼承他的教授職位。1689年和1701年,牛頓兩次以劍橋大學代表的身份被選入議會。1696年他被聘為造幣廠的監督。1703年起擔任英國皇傢學會會長。1727年3月20日(新歷3月31日)逝世於倫敦。

  牛頓在科學上的貢獻是非常巨大的。從天文學來說,他的主要成就有兩方面,即天文光學的研究和萬有引力定律的發現。

  天文光學 1666年,牛頓重復瞭用三棱鏡分解日光為七色光帶的實驗。他正確地解釋說,這是各色光線通過玻璃時折射率不同造成的。但是,他認為各種玻璃的折射本領都是一樣的,因此折射望遠鏡不易制造。為瞭解決這個難題,牛頓便以銅錫合金磨成一面凹面鏡來反射聚光成像,1672年牛頓制成瞭一種新的反射望遠鏡,一般稱為牛頓望遠鏡。他親手制造的望遠鏡現仍保存在英國皇傢學會作為珍貴的展品(見彩圖)。

牛頓(1642~1727) 英國國傢肖像館

  萬有引力定律的發現 1666年,牛頓在傢鄉躲避瘟疫的時候,曾思考過引力問題。據牛頓晚年的密友斯多克雷的回憶錄記載,牛頓在1726年4月15日親口告訴他,牛頓曾因見到樹上的蘋果落地而引起深思,引力的概念進入他的腦海。他的結論是,物體都互相吸引,地球上所有物質對蘋果的吸引力的合力是向著地心的,因此蘋果才向著地心落下。進一步,牛頓又把物體相互吸引的問題推廣到宇宙間。他又想到月球離地球雖然遠到地球半徑的60倍,但地球的引力也一定會達到月球。那麼,月球何以不墜落呢?這一定和月球繞地球的運動有關。若月球暫時停止運動,無疑它會落向地球引起災難性的碰撞,應該是月球的繞地運動使這災難得以避免。天體互相吸引的概念,在牛頓以前就有人想到過,例如,英國物理學傢R.胡克等人。他們甚至猜測過,引力是和距離平方成反比的。牛頓的貢獻是,令人無可懷疑地證明瞭地球和其他天體的引力確實是按照這個規律變化的。不過,完成這個證明卻需要很長的時間。一個原因是當時所掌握的地球半徑數據誤差較大,從而使牛頓最初算出的月球繞地球運動的向心加速度和地面上重力加速度之比不符合與距離平方成反比的規律。直到1671年法國天文學傢皮卡德測算得較精確的地球半徑數據後,才有可能通過計算,證明使蘋果落到地面的力量,也就是使月球沿軌道繞地球運行的力量。

  既已理解月球繞地球運行的問題,牛頓不難推想到地球繞太陽的運動也是受控於太陽引力的。其他行星與太陽的距離雖不同於地球,它們繞太陽的運動也必定是受它的引力支配。開普勒在牛頓之前曾經從觀測的結果得出行星運動的三定律(見開普勒定律),但行星為什麼要按這些規律運動,卻未能作出解答。牛頓從數學上解答瞭這個問題。

  牛頓首先證明若要行星與太陽的聯線在相等時間內掃過相等的面積,隻需引力的方向是沿著行星與太陽的聯線即可,不問引力大小與距離有什麼關系。假如行星的軌道為一橢圓,而太陽處於橢圓的一焦點上,那麼牛頓的數學推理能夠證明引力的強弱必須同太陽和行星的距離的平方成反比。在繞日運行各行星的物質同樣受到太陽引力影響的假設下,數學方法也足以證明開普勒的第三定律,即任何兩顆行星周期的平方同它們軌道長軸的立方成正比。通過進一步的研究,牛頓發現瞭天體力學中的許多奧秘。他認識到不但大天體象太陽、地球、月球按平方反比律互相吸引,而且宇宙間的每個質點和其他質點間也是以平方反比律互相吸引的。從這假設出發,牛頓證明瞭任何層層均勻的球體,它對外的引力可以用同質量的質點放在它中心的位置來替代。

  牛頓還用萬有引力原理說明瞭潮汐的各種現象,指出潮汐的大小不但同朔望有關系,而且同太陽的引力也有關系。牛頓還從理論上推測,地球的兩極較扁,而歲差就是由於太陽對赤道突出部分的攝動而造成的。

  牛頓的天體理論的局限性在於,他把天體運動歸之於起始推動力,歸之於上帝。

《自然哲學的數學原理》的扉頁

  牛頓的許多發現都收在他的不朽傑作《自然哲學的數學原理》一書中。該書於1687年問世。一個嶄新的天文學分支──天體力學便由此而誕生瞭。

  

參考書目

 塞耶編,上海外國自然科學哲學著作編譯組譯:《牛頓自然哲學著作選》,上海人民出版社,上海,1974。(H.S.Sayer ed.,Newton’s Philosophy of Nature Selections from his Writings,Hafner Publ.Co.,New York,1953.)