2 牛頓

（Isaac Newton,1642～1727）

自然與自然的規律隱藏在黑暗中：

上帝說，誕生吧，牛頓！于是一片光明。

——亞歷山大·蒲柏

牛頓是有史以來最偉大、最有影響力的科學家。他于1642年圣誕節那天誕生在英格蘭的伍爾斯托普。這年正是伽利略去世的那一年。同穆罕默德一樣，他是個遺腹子。童年時代他就表現出在機械方面的才能，他的雙手很靈巧。雖然他很聰明，但在學校時是個散漫的學生，并沒引起別人太大的注意。十幾歲時他母親讓他退學，希望他成為一個出色的農夫。幸運的是，他母親被人說服，承認他的主要天賦是在其他方面。18歲時他進入劍橋大學。在那里，他迅速吸收著當時已知的自然科學和數學知識，并且很快進入了自己的獨立研究領域。在21～27歲時，他就奠定了日后引起世界革命性變化的那些科學理論的基礎。

17世紀中葉是一個孕育偉大科學的時代。在這個世紀初，望遠鏡的發明已經使整個天文學研究發生了革命性的變化。英國哲學家弗朗西斯·培根和法國哲學家笛卡兒極力向全歐洲的科學家呼吁停止對亞里士多德權威的依賴而依靠他們自己的實驗和觀測。培根和笛卡兒所倡導的也正是伽利略所實踐的。他用新發明的望遠鏡進行天文觀測，從而引起了天文學研究的革命，并且他的力學實驗建立了今天我們所熟知的牛頓第一運動定律。

其他一些偉大的科學家，如發現血液循環的哈維，發現描述行星圍繞太陽運行定律的開普勒，正在將新的基本知識帶給科學界。但是純科學主要還是知識分子們的玩具，并且在那時還沒有證據表明像弗朗西斯·培根曾經預言的那樣，科學一旦被應用到技術領域就會引起整個人類生活方式的革命性變化。

盡管哥白尼和伽利略已經掃蕩掉一些古代科學中的錯誤概念，并加深了人類對宇宙的了解，但那時人們還沒建立起一套原則，這套原則可能將這些看似無關的事實聯系起來，形成一套統一的能夠用來進行科學預測的理論。正是牛頓提供了這樣一套統一的理論并使現代科學走上一條此后它一直遵循的路線。

牛頓從不愿意公布他的研究成果。雖然他大部分研究工作的基本思想早在1669年時已經形成，但他的大部分理論多年以后才公諸于眾。牛頓公布的第一項發現是他在研究光的性質上的具有突破性的工作。經過一系列精心的實驗，牛頓發現普通的白光實際是構成彩虹的所有顏色組成的混合光。他還仔細分析了光的反射和折射定律的結果。利用這些定律，他在1668年設計并實際制造了第一架反射式望遠鏡。今天，大多數天文觀測使用的就是這種望遠鏡。在他29歲時，這些發現連同他所做的許多其他的光學實驗一起被呈交給英國皇家學會。

僅牛頓在光學方面的成就就可能使他有資格在本書中占據一席之地；然而，這些成就同他在純數學和力學方面的成就比起來就次要多了。他對數學的突出貢獻是發明了微積分，那時他大概是23或24歲。這一發明是現代數學最重要的成就。它是種子，大多數現代數學理論由它生長繁育而來；它更是至關重要的工具，沒有它，在它之后的大多數現代科學進步就不可能實現。就算牛頓沒有做其他任何事情，僅僅是發明微積分本身就足以使他在本書中占據相當重要的位置。

然而，牛頓最重要的發現是在力學領域。力學是研究物體如何運動的科學。伽利略已經發現了第一運動定律，它描述了物體不受外力作用時的運動狀態。毫無疑問，在現實中所有的物體都受到外力的作用，因此力學里最重要的問題是在這樣的環境下物體是如何運動的。牛頓用他著名的第二運動定律解決了這一問題。該定律堪稱是經典力學中最基本的定律。第二運動定律（用數學方程式表述為F=ma）說明了一個物體的加速度（即該物體速度的變化率）等于作用在該物體上的凈力除以該物體的質量。作為這兩個定律的補充，牛頓又加上了他著名的第三運動定律（該定律說明每一個作用力，都存在一個大小相等、方向相反的反作用力），以及他最為有名的科學定律——萬有引力定律。這一組四個定律結合起來形成了一個統一的體系，借助這一體系，人們可以研究從鐘擺的擺動到行星沿著它們的軌道繞太陽運行等實際上所有的宏觀力學系統的問題，也可以對它們的狀態進行預測。牛頓不僅闡明了這些力學定律，而且他本人還親自運用微積分等數學工具，示范了如何應用這些基本定律解決實際問題。

牛頓的定律可能并且已經在科學問題和工程問題的廣泛領域內得到應用。在他活著時，他的這些定律在天文學領域已得到最引人注目的應用。他在這一領域也領導著研究的潮流。1687年他發表了他的偉大著作《自然哲學的數學原理》（簡稱《原理》），在這本書中他提出了萬有引力定律的運動定律。牛頓展示了如何運用這些定律來精確預測圍繞太陽運行的各行星的運動。因此動態天文學中的主要問題，即精確預測恒星和行星位置和運動的問題，被牛頓漂亮地一舉解決。正是因為如此，牛頓常常被認為是最偉大的天文學家。

那么，我們對牛頓科學重要性的判斷是什么呢？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其他任何一位科學家都多（可能有兩到三倍之多）。更重要的是，你應該考慮到其他科學家對牛頓的評價。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。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。”偉大的法國科學家拉普拉斯寫道：“《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。而馬赫在1901年時寫道：“所有自他那個時代以來在數學上所取得的成就，只是建立在牛頓定律基礎之上的關于力學在演繹上、形式上和數學上的發展。”牛頓的偉大成就的關鍵或許是：他面對的科學是一堆孤立的事實和定律，可用來描述某些現象但幾乎不能預測任何東西，而他留給我們一個統一的定律體系，它可用來解釋眾多的物理現象，也可用作精確的預測。

在這樣簡短的概括性敘述中，我們不可能詳細描述牛頓所有的發現；所以雖然就其自身看它們也是重要的成就，但我們還是忽略了許多相對次要的發現。牛頓對熱力學（對熱的研究）和聲學（對聲音的研究）也做出了貢獻；他闡明了物理學中的動量守恒和角動量守恒的物理學原理；他發現了數學中的二項式定理；他還第一次對恒星的起源做了令人信服的解釋。

現在你可能會承認牛頓是有史以來最偉大和最有影響的科學家，但你可能仍然要問：為什么他的排名要高于如亞歷山大大帝或喬治·華盛頓這樣重要的政治人物，或是為什么要排在耶穌和佛祖釋迦牟尼這樣重要的宗教人物之前。我個人的觀點是，雖然政治變遷是重要的，但公正地說，在亞歷山大大帝去世500年之后，世界上大多數人的生活同他們生活在亞歷山大大帝出生前500年時祖先們的生活方式沒什么兩樣。同樣，從大多數的日常活動來看，公元后1500年時的大部分人仍過著與公元前1500年的人差不多的生活。但是在過去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。科學發現不僅帶來了技術上和經濟上的革命，它還完全改變了政治和宗教思想，藝術和哲學。經過這次科學革命，幾乎人類活動的每一個方面都發生了變化。這也正是為什么你會在本書中找到許多科學家和發明家的大名的原因。牛頓不僅僅是最杰出的科學家，而且他還是科學理論發展中最有影響的人物，因此在任何一張世界最有影響人物的排名表中，牛頓完全應該排在最高或接近最高的位置上。

牛頓于1727年去世。他被葬于西敏斯特教堂（西敏寺）內。他是第一個被給予此項殊榮的科學家。