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• 简介
• 早年生活
• 中年生活
• 数学
• 光学
• 力学
• 老年生活
• 停止
• 自然哲学与宗教观
• 牛顿对宗教思想的影响
• 牛顿运动定律
• 著名的格言

牛顿入门(英国物理学家牛顿入门)

简介

艾萨克·牛顿爵士(1643年1月4日-1727年3月31日)是英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。1687年，他发表了《自然哲学的数学原理》，阐述了万有引力和三大运动定律，奠定了后来三个世纪力学和天文学的基础，成为现代工程的基础。通过论证开普勒的行星运动定律和他的引力理论的一致性，他表明了地面物体和天体的运动都遵循相同的自然规律；它为以太阳为中心的理论提供了强有力的理论支持，推动了科学革命。

牛顿

在力学中，牛顿阐述了动量和角动量守恒原理。在光学方面，他发明了反射望远镜，并基于棱镜将白光发散成可见光谱的观察发展了颜色理论。他还系统地表达了冷却定律，研究了声速。

在数学方面，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展微积分的荣誉。他还证明了广义二项式定理，提出了逼近函数零点的牛顿法，为幂级数的研究做出了贡献。

2005年，英国皇家学会进行了一项关于“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查。在英国皇家学会院士和网友的投票中，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更有影响力。

早年生活

牛顿出生在英国林肯郡的埃尔索普

牛顿就读的国王中学

国王中学窗台上牛顿的签名

艾萨克·牛顿于1643年1月4日出生于英格兰东米德兰郡林肯郡南凯郡史蒂文·埃尔索普庄园。牛顿出生前三个月，他的父亲艾萨克刚刚去世。因为早产，新生儿牛顿很瘦；有传言说，他的母亲汉娜·艾斯科曾经说过，牛顿出生时已经小到可以把他放进一个四分之一大的杯子里。当牛顿3岁时，他的母亲再婚，搬进了她的新丈夫巴纳巴斯·史密斯牧师在北威特姆的家，并将牛顿托付给他的祖母，马杰里·艾斯科。年轻的牛顿不喜欢他的继父，并且因为他的婚姻而对他的母亲有一些敌意。牛顿甚至写道:“威胁我的继父和母亲，把他们连同房子一起烧掉。”

根据《大数学家与数学史导论》，“牛顿在一所乡村学校开始了他的学校生活，并被送到格兰瑟姆的国王中学，在那里他成为最好的学生。在国王中学时，他和当地的药剂师威廉·克拉克住在一起，并和药剂师的继女安妮·斯塔勒订婚，之后在19岁时去了剑桥大学。后来，因为牛顿专注于他的研究，爱情冷却了，斯塔勒小姐嫁给了别人。据说牛顿对这段恋情记忆犹新，但此后再无其他恋情，牛顿终身未嫁。”

然而，根据牛顿同时代的朋友威廉·提克里写的《艾萨克·牛顿爵士生平回忆录》，斯图克利在牛顿死后拜访了文森特夫人，也就是牛顿的情人斯塔勒小姐。文森特夫人的名字是凯瑟琳，而不是安妮，安妮是她的妹妹，文森特夫人只说牛顿在她登机时对她只有“感情”。

从12岁到17岁，牛顿在国王中学学习，他的签名仍然可以在图书馆的窗台上看到。1659年10月，他辍学回到埃尔索普，因为他守寡的母亲希望牛顿成为一名农民。虽然牛顿听从了母亲的意愿，但据牛顿的同龄人说，农活让牛顿相当不开心。幸运的是，国王中学的校长亨利·斯托克斯说服了牛顿的母亲，牛顿被送回学校完成学业。18岁时，他完成了中学学业，拿到了一份完美的毕业报告。牛顿的学习成绩如此优异，部分原因是他对一个校霸的挑战和报复。剑桥心理学家西蒙·伯恩认为，牛顿很可能患有阿斯伯格综合症。

1661年6月，他进入剑桥大学三一学院。当时学院的教学是以亚里斯多德的理论为基础的，但牛顿更喜欢读一些现代哲学家如勒内·笛卡尔和天文学家如伽利略·伽利雷、尼古拉·哥白尼和约翰尼斯·开普勒的著作。1665年，他发现了广义二项式定理，并开始发展一套新的数学理论，后来被称为微积分。1665年，牛顿拿到了学位，为了防止伦敦大瘟疫，大学关闭了。在接下来的两年里，牛顿继续在国内研究微积分、光学和万有引力定律。

1667年，牛顿获得奖学金，回到剑桥大学三一学院读研究生。根据规定，只有正式任命的牧师才有资格成为剑桥大学三一学院的研究生。牛顿不愿意成为牧师，因为他有非正统的宗教观点。但是牧师的任命没有最后期限，所以牛顿先获得了研究生的职位，牧师的任命被无限期推迟。然而，当牛顿被任命为卢卡斯的数学教授时，问题来了，如此重要的职位不可能避免牧师的任命。然而，牛顿得到了查理二世的允许，并且仍然绕过了这一限制。

中年生活

数学

大多数现代历史学家认为牛顿和莱布尼茨独立发明了微积分。据牛顿身边的人说，牛顿比莱布尼茨早几年想出了他的方法，但在1693年之前他几乎没有发表过任何东西，直到1704年他才给出一个完整的交代。与此同时，莱布尼茨在1684年出版了他的方法的完整记述。他们创造了不同的微积分符号。欧洲大陆全面采用莱布尼茨符号，英国则坚持牛顿的微积分符号直到1820年。莱布尼茨的笔记本记录了他的思想从初始阶段到成熟的发展过程，而牛顿已知的记录只找到了他最终的成果。

牛顿与瑞士数学家尼古拉斯·法蒂奥·丢勒关系密切，后者从一开始就被牛顿的万有引力定律所吸引。1691年，丢勒计划写一本新版本的《牛顿自然哲学数学原理》，但从未完成。两人的关系在1694年冷却下来。当时，丢勒还与莱布尼茨交换了几封信。

1699年初，英国皇家学会成员(牛顿就是其中之一)指责莱布尼茨剽窃牛顿的微积分成果，引发了牛顿与莱布尼茨关于微积分的激烈争论。最后，皇家学会宣布牛顿是微积分的真正发明者，并谴责莱布尼茨抄袭。但是后来发现莱布尼茨的结论是牛顿自己写的。这场持续多年的激烈争论，玷污了牛顿和莱布尼茨的名声，直到1716年莱布尼茨去世才停止。

牛顿被广泛认可的成就之一是适用于任何幂的广义二项式定理。他发现了牛顿恒等式和牛顿方法，对三次曲线(二元三次多项式)进行了分类，对有限差分理论做出了重大贡献，并首次利用分数指数和坐标几何得到了丢番图方程的解。他用对数逼近调和级数的部分和(这是欧拉求和公式的先驱)，并首次使用幂级数和逆幂级数。他还发现了一个新的公式。

1669年，他被授予卢卡斯数学教席。在那一天之前，剑桥或牛津的所有成员都被任命为圣公会牧师。然而，卢卡斯教授职位的条件要求其持有人不得在教会中活跃(大概是为了持有人能把更多的时间花在科学研究上)。牛顿认为他应该免除牧师的工作，这需要查理二世的允许，而后者接受了牛顿的意见。这避免了牛顿的宗教观点和英国国教信仰之间的冲突。

光学

从1670年到1672年，牛顿负责教授光学。在此期间，他研究了光的折射，并表明棱镜可以将白光扩散成光谱，而透镜和第二棱镜可以将光谱重新组合成白光。

牛顿在1672年使用的反射望远镜的6英寸复制品属于皇家学会

他还发现，彩色光不会通过分离单色光束并将其照射到不同的物体上来改变其自身的特性。牛顿还注意到，无论是反射、散射还是发射，有色光都会保持相同的颜色。因此，我们观察到的颜色是物体与特定有色光结合的结果，而不是物体产生颜色的结果。

牛顿发现棱镜可以将白光扩散到彩色光谱中

由此，他得出结论，任何折射望远镜都会受到光线分散成不同颜色的影响，于是他发明了反射望远镜(现称牛顿望远镜)来克服这一困难。他自己打磨大直径镜片，用牛顿环测试镜片的光学质量，从而制造出优于折射望远镜的仪器。1671年，他向皇家学会展示了他的反射望远镜，然后出版了他的光学笔记，后来扩展到光学。罗伯特·胡克批评了牛顿的一些观点，这使他不高兴，退出了辩论。两人从此成为敌人，一直持续到虎克去世。

牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，通过光密介质加速会发生折射。他认为薄膜的折射和透射现象可以用光的“波动理论”来解释，但他自己的“粒子理论”可以更好地解释衍射等光学现象。1704年，牛顿写了《光学》，其中阐述了光的粒子理论。他认为光是由非常微小的粒子组成的，而普通物质是由更粗糙的粒子组成的，并推测通过某种炼金术的转化，“物质和光不能相互转化吗？”物质不能从进入其结构的轻粒子中获得主要动力吗？后世物理学家持波动论观点。后来量子力学认为光具有波粒二象性，称为波粒二象性，虽然这个理论中的“粒子”光子与牛顿理论中的“粒子”有很大的不同。

在1675年出版的《解释光的性质的假说》中，牛顿认为粒子之间的力传递是通过以太进行的。然而，牛顿在接触到神学家亨利·摩尔之后，重新燃起了对炼金术的兴趣，用赫尔墨斯的粒子吸引和互斥思想所衍生出的神秘力量，取代了之前对以太存在的假设。拥有大量牛顿炼金术书籍的经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯曾说:“牛顿不是理性时代的第一人，他是最后一个炼金术士。”[10]但牛顿对炼金术的兴趣与他对科学的贡献密切相关[11]，当时炼金术和科学并没有明显的区别。如果他不依靠神秘主义通过真理空来解释距离的作用，他可能就不会发展出他的引力理论。

牛顿用玻璃球制造了最初的摩擦发电机。

力学

1679年，牛顿回到力学研究:引力及其对行星轨道的影响，开普勒行星运动定律，以及与胡克和佛兰德在力学方面的讨论。他将自己的成就归功于《轨道中物体的运动》一书，这本书包含了运动的初步规律，这些规律后来在《自然哲学的数学原理》中形成。

在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下，《自然哲学的数学原理》(现常称为《原理》)于1687年7月5日出版。在这本书里，牛顿阐述了在接下来的两百年里被认为是真理的三个运动定律。牛顿用拉丁语“引力”来命名今天的引力，并定义了万有引力定律。在这本书里，他还基于波义耳定律，提出了第一种分析和确定空空气中声速的方法。

《原理》的出版使牛顿成为当时最有影响力的科学家。牛顿与瑞士数学家之一尼古拉斯·法蒂奥·丢勒建立了非常密切的关系，直到1693年他们的友谊破裂。

老年生活

牛顿在16世纪90年代写了许多宗教小册子，论述圣经的字面解释。亨利·摩尔对宇宙的信仰和对笛卡尔二元论的排斥影响了牛顿的宗教思想。在他寄给约翰·洛克的一份未发表的手稿中，他质疑三位一体的存在。

1696年，牛顿在当时的财政大臣查尔斯·蒙塔古的帮助下，移居伦敦监管皇家造币厂，直到去世。他主持了英国最大的货币重铸工作，这个职位通常是闲着的，但牛顿非常重视这个职位。他估计大约20%的硬币是伪造的。伪造货币在英国是一大罪行，将被处以极刑。很难给那些臭名昭著的罪犯定罪；但事实证明牛顿做得很好。

他隐瞒了自己的身份，收集了大量证据，然后在酒吧和客栈里公布。英国法律保留了古老而麻烦的习惯，以便为起诉设定一定的门槛，并将政府部门与司法部门分开。牛顿因此成为治安法官，并在1698年6月至1699年圣诞节期间领导了对200名证人、告密者和嫌疑犯的盘问。最后牛顿赢了官司，于1699年2月处决了10名罪犯。

也许牛顿最大的胜利是作为国王的法律代表对抗威廉·查洛内。查尔隆纳密谋煽动一场虚假的天主教阴谋，然后报告了那些被他引诱的阴谋者。在向国会请愿时，查尔隆纳指责造币厂向造假者提供工具以获得赔偿，并要求国会允许他检查造币厂的生产过程以证明他的指控。他还要求国会通过他所谓的“不可伪造的铸币过程”和“打击假币的计划”。这时，牛顿被激怒了，开始调查查洛耐特做了什么。在调查中，牛顿发现查尔隆纳参与了假币的制造。他立即起诉了查尔隆纳，但由于查尔隆纳在高层有一些朋友，他被无罪释放，这让牛顿很不高兴。在第二次起诉中，牛顿提供了确凿的证据，并成功地使查尔隆纳被判犯有叛国罪。1699年3月23日，查尔隆纳在泰伯恩的刑场被肢解。

1701年，牛顿辞去卢卡斯数学教授一职后。他运用自己的能力改革低质货币和假币的流通和惩罚。牛顿在1717年通过《安妮女王法案》创造了金币和银币之间的联系，非正式地将英镑硬币从银本位制转移到金本位制；这是当时的一次重大改革，在相当程度上增加了英国的财富和稳定。1705年，安妮女王授予牛顿爵士地位。牛顿是第二位被授勋的英国科学家，第一位是弗朗西斯·培根。

停止

威斯敏斯特教堂的牛顿墓

牛顿于1727年3月31日在伦敦去世，并在威斯敏斯特教堂举行国葬，成为历史上第一位接受国葬的自然科学家。

20世纪70年代，对牛顿头发的化学分析表明，其中的汞含量超过正常值50多倍，最有可能的解释是他从事炼金术。汞中毒也许可以解释牛顿晚年的奇怪行为。

牛顿墓位于威斯敏斯特教堂的中间大厅。墓地上方矗立着牛顿的雕像，他的石像放在一堆书上。他周围有两个天使和一个巨大的地球形状来纪念他在科学上的成就。

英国诗人亚历山大·波普为牛顿写了以下墓志铭:

大自然及其法则隐藏在黑暗之中。上帝说:“让牛顿诞生吧，一切突然变得清晰。

自然哲学与宗教观

牛顿反对把宇宙解释为一个纯粹的机器，比如一个大时钟。他说:“引力解释了行星的运动，但它不能解释是谁让它们运动的。上帝统治一切，知道他所做的和能做的一切。”

牛顿对圣经和早期教会神父的研究也值得注意。牛顿写过一些批判圣经的作品，最著名的是《名两个圣经错误的历史变迁》。牛顿还放置了耶稣基督的十字架，这与传说中的公元33年4月3日正好吻合。他也试图在圣经中寻找隐藏的信息，但没有成功。

牛顿可能拒绝了教会的三位一体学说。在少数观点中，T.C. Pfizenmaier认为他更有可能持有东正教三位一体的观点，而不是西方天主教、圣会和大多数新教教派的观点。在他的时代，牛顿(像许多活跃在皇家学会和查理二世宫廷的人一样)被称为玫瑰十字会的成员。

牛顿一生写的宗教著作比自然科学还多。他相信理性的主观世界，但他拒绝了莱布尼茨和巴鲁克·斯宾诺莎深信不疑的万物有灵论。因此，有序和动态信息的宇宙可以被理解，并且必须被主动理性理解，但是这个完美和注定的宇宙必须有规律地运行。牛顿坚持认为，由于不稳定性的积累和缓慢增长，上帝的不断干预对于改善宇宙系统是必要的。为此，莱布尼茨讽刺牛顿说:“上帝必须给他时不时做的钟上发条，否则钟就会停。他似乎没有能力让这个钟永远运转下去。”

德国哲学家黑格尔批评牛顿的光学是一种“粗糙的反思方式”，但黑格尔对自然哲学的武断看法也在科学界抹黑了黑格尔的哲学体系。

牛顿对宗教思想的影响

牛顿和罗伯特·波义耳的机械论被理性主义作家推崇为泛神论和狂热主义的可行替代品，并被东正教传教士和像自由主义者这样的持不同政见传教士有所保留地接受[21]。这样，科学就清晰而简洁，以至于无人能比，无人能反驳[22]。同时，第二波英国自然神论者利用牛顿的发现论证了“自然宗教”的可能性。

威廉·布莱克的名画《牛顿》。在这幅画中，牛顿被简化为“神学几何学家”

波义耳的机械论宇宙观批判了启蒙运动前的“魔法思想”和基督教神秘元素的存在基础。牛顿通过数学证明完善了波义耳的思想，也许更重要的是，他们的普及也非常成功。[23]例如，如果原始世界被干涉主义的上帝统治，牛顿会把它变成创造的世界，这个世界是用理性和普遍的原则设计的。[24]这些原则使每个人都能够获得知识，使每个人都能够积极追求自己在这个生活和这个世界上的目标，并使每个人都能够利用自己的理性力量来提高自己。

牛顿视上帝为创造者，所以他认为在面对一切生物的宏伟时，不能否认他的存在。然而，他对上帝的看法产生了不可预测的神学结果。正如莱布尼茨所指出的，上帝已经完全退出了世界事务:干涉的需要只会证明上帝作品中的一些瑕疵，这对于一个完美的、无所不能的创造者来说是不可能的。莱布尼茨的上帝学说将上帝与参与他创造的行为分开，从而消除了上帝在“罪的问题”中的责任。因此，对世界的理解被降低到个人原因的层面，而人类，正如奥多·马夸德所知道的那样，应该承担起纠正和消除邪恶的责任。

另一方面，宗教自由主义和牛顿理论对千禧年主义影响深远。千禧年主义是一个信仰机械论宇宙论的宗教学派，但实际上它与狂热主义和神秘主义完全一样。启蒙运动为了消灭它，与它进行了艰苦的斗争。

牛顿运动定律

著名的的三大运动定律:

1.牛顿第一定律(也称惯性定律)指出，静止的物体趋向于保持静止，而匀速运动的物体趋向于保持匀速运动，除非受到组合外力的作用。阐述了力和惯性两个物理概念，解释了力与运动状态的关系，提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的特性——惯性，这是物理学中一个重要的基本定律。

2.牛顿第二定律指出，作用在物体上的力等于其动量随时间的变化率。这说明物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与物体的质量成反比。在米-千克-秒的公制下，质量的单位是千克，加速度是米每秒的幂，力是牛顿(为纪念他而命名)。

3.牛顿第三定律指出，每个力都有一个等效的反作用力。

沿着同一条直线，两个物体之间的力f和反作用力f大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上。

著名的格言

法国数学家约瑟夫·拉格朗日经常说，牛顿是迄今为止最伟大的天才，他曾经评论说，牛顿是“最幸运的，因为我们再也不能创造一个世界体系了。”

有人认为牛顿本人对自己的成就非常谦逊。1676年，他写给罗伯特·胡克的一封信中出现了一句名言:

如果我看得比别人远，那是因为我站在巨人的肩膀上。

牛顿在回忆录中写道:但两位作家，约翰·格里宾和迈克尔·怀特，认为这实际上是牛顿对胡克(身材矮小和驼背)的讽刺，并不包含——或者说不包含——谦逊: