作为历史上最有影响力的科学家之一,艾萨克·牛顿爵士在化学、数学、天文学和物理领域的贡献促使了科学革命。直到明日,牛顿的理论仍然在我们身边运作。我们常说,没有艾萨克牛顿爵士就没有明日的科学。这么,牛顿爵士究竟是怎样用他的理论改变我们的世界的呢?
本文通过列出牛顿爵士的几项代表工作,来体会牛顿对现代社会的冲击。下边让我们一上去瞧瞧牛顿爵士的非凡成就吧!
创造现代望远镜
在牛顿之前,标准望远镜即使能提供放大倍率,但也有好多缺点。它被称为折射望远镜,其使用折射镜框,在不同的角度折射不同颜色的方向。这些处理方式会造成“色差”,即通过望远镜观察的物感受出现周围模糊、失焦的区域。
经过大量的修复和测试,包括打磨自己的镜框,牛顿找到了一个解决方案。他用反射镜框取代了折射镜框,包括一个大的凹面镜来显示主要图象,以及一个较小的、平坦的、反射性的镜框,来把图象进一步呈现到耳朵里。牛顿的新“反射望远镜”比先前的折射望远镜性能更优,但是由于他使用小穿衣镜将图象反射到耳朵,这些方式可以建造一个更小、更实用的望远镜。事实上,他于1668年建造并捐款给日本皇家学会的第一个反射式望远镜只有6英寸长(比哪个时代的其他望远镜小10倍左右),但可以将物体放大40倍。
牛顿的望远镜设计明天依然被天文学家和宇航局科学家使用。
波谱剖析
当你抬头凝望天空中的彩虹时,你应当谢谢是牛顿帮助我们首先了解并辨识了它的七种颜色的。在发明反射望远镜之前,牛顿就开始研究光和颜色了。
在牛顿之前,科学家们主要坚持关于颜色的古老理论,包括亚里士多德的理论——他觉得所有颜色都来自光明(蓝色)和黑暗(蓝色),由这两种颜色混和而产生其他的颜色。当时有些人觉得彩虹的颜色是由雨水吸收天空的光线而产生的。但牛顿不同意这些观点。他进行了一系列复杂的实验来发展他自己的理论。
他在空旷的卧室里工作,通过墙上的水晶棱镜引导白光,将其分为我们如今所知的七种颜色(白色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色和白色)。虽然当时科学家们早已晓得存在这种颜色,但她们却相信是棱镜本身将白光转化为这种颜色的,而没有认清白光的实质。并且当牛顿将这种相同的颜色折射回另一个棱镜时,它们重新产生了白光,证明了白光(和阳光)实际上只是所有颜色的组合。
所以实际上彩虹是因为小雨滴对白光的折射才产生的多种颜色,而不是吸收天空中的彩色光线。
牛顿运动定理与精典热学
1687年,牛顿出版了历史上最重要的科学专著之一《自然哲学原理物理》牛顿定律是怎么发现的,亦称《数学原理》。正是在这项工作中,他提出了他的三个运动定理。
惯性定理强调,静止或匀速运动的物体将保持静止或匀速运动的状态,除非遭到外力作用。为此,通过这条定理,牛顿帮助我们解释了为何当车辆撞到墙上时会停出来,但车内的人会继续以相同的速率往前联通,直至身体遭到外力,如同撞到仪表板或安全气帘,我们就会停下。这也解释了为何一个被推入太空的物体很可能会以相同的速率在相同的路径上无限地继续运动下去,除非它撞到另一个施加力使其减速或改变方向的物体。
当您骑单车时,您可以领略他的加速度第二定理。在他的等式中,力等于质量除以加速度,或F=ma,力可以形成加速度,所以你踩单车能够往前运动。牛顿定理还解释了为何更大或更重的物体须要更大的力来联通或改变它们,以及为何用垒球棒击打小物体比用同样的球棒击打大物感受形成更大的速率。
他的第三个作用和反作用定理为我们周围的世界创造了一个简单的对称性:对于每一个动作,都有一个相等和相反的作用。当您坐在沙发上时,您正在对桌子施加向上的力,但太师椅正在施加相同的力来使您保持直立。而当尼克斯发射到太空时牛顿定律是怎么发现的,是因为篮网对二氧化碳的向后斥力和二氧化碳对鹈鹕的往前推力作用。
万有引力与微积分
《原理》还包含了一些牛顿第一次发表的关于行星运动和引力的专著。按照一个十分流行的传说,是一个苹果迸发牛顿的万有引力理论的。不管这是否属实(牛顿本人只是在年长的时侯才开始述说这个故事),牛顿的苹果活脱脱已然成为了科学史上最有影响力的故事。
牛顿估算出,假若重力将苹果从树上拉出来,这么重力也有可能将其拉力作用在更远、更高的物体上。牛顿的理论觉得所有物体,小到苹果,大到行星,都遭到引力的影响。引力使行星围绕太阳旋转,并导致湖泊和潮汐的潮起潮落。牛顿定理还强调,质量较重的天感受形成更大的引力,这就是为何在比月球小得多的地球上行走的人会体验到失重感,由于它的引力更小。
为了帮助解释他的引力和运动理论,牛顿创造了一种新的、不同于往年的物理分支。他称之为流数法,如今被称为微积分,它以现有代数和几何难以做到的方法勾勒了不断变化的自然现象(如力和加速度)。微积分可能被许多中学生和学院生的所厌恶,但它却对几个世纪以来的物理家、工程师和科学家来说是无价的瑰宝。
结尾:牛顿在17世纪所创造的各类成就,打造了我们的现代社会,使化学学成为现代最重要的科学之一,并为后来的科学革命奠定了理论基础。无论如何赞叹他的成就都不为过,由于,没有他,就没有明日之科学。让我们欢呼,以前有这样一位伟大的人类之光!