文|江卿曻
編輯|江卿曻
前言
艾薩克-牛頓爵士是歷史上最有影響力的科學家之一，在物理學、數學和天文學領域做出了重大的歷史貢獻。牛頓於1642年12月25日出生在英國的伍爾斯特霍普，他的發現和理論徹底改變了我們對自然世界的理解，並為現代科學奠定了基礎。
艾薩克-牛頓爵士，歷史上最偉大的科學家之一，於1642年12月25日出生在英國林肯郡的一個小村莊伍爾斯特霍普。牛頓的早期生活和教育為他後來開創性的科學發現和理論奠定了基礎。
那麼牛頓在科學領域有哪些影響？
牛頓的早期生活和教育
牛頓是早產兒，他的父親，也叫艾薩克-牛頓，在他出生前幾個月就去世了。他的母親漢娜-艾斯考夫在他三歲時再婚，把他留給了祖母照顧。在他的幼年時期，牛頓表現出非凡的智慧和好奇心。他對機械裝置非常著迷，並且很早就表現出對數學的天賦。
牛頓出生在一個政治和社會動蕩的時代。他的父親是個農民，在他出生前就去世了，他的母親在他三歲的時候就再婚了。牛頓的早期教育因英國內戰爆發而中斷，在此期間，他被送到祖母家生活。他在數學方面表現出非凡的才能，並在很小的時候就建造了自己的日晷。
5歲時，牛頓開始在格蘭瑟姆的國王學校上學，在那裡他寄宿在當地一位名叫威廉-克拉克的藥劑師家裡。然而，牛頓的母親對他有其他計劃，打算讓他像他父親一樣成為一名農民。然而，他對農活不感興趣是顯而易見的，而且很明顯，他的才能在於其他方面。
他以前的老師斯托克斯先生認識到他的學術潛力，勸說他的母親允許他回到格蘭瑟姆的國王學校。在那裡，牛頓沉浸在他的學習中，尤其專註於數學和自然哲學。他建造了日晷和機械裝置，並對當時偉大的科學思想家的作品表現出濃厚的興趣，如笛卡爾、伽利略和開普勒。
1661年，牛頓進入劍橋大學三一學院，學習數學、物理學和哲學。正是在這一時期，他開始探索偉大的科學思想，如伽利略-伽利萊、勒內-笛卡爾和約翰內斯-開普勒的作品，這對他的思想和科學追求產生了深刻的影響。
在劍橋，牛頓學習了廣泛的科目，包括數學、物理學和哲學。他很幸運地有機會接觸到一個優秀的圖書館，並得到著名學者的指導。牛頓尤其受到數學家和哲學家勒內-笛卡爾的作品以及弗朗西斯-培根的實驗哲學的影響。
牛頓的數學能力在他的本科階段就已顯現出來。他深入研究了古典數學、幾何學和代數。他掌握了歐幾里德、阿基米德和其他古代數學家的作品。他還熟悉了他那個時代最新的數學發展，如約翰-沃利斯的新代數方法和笛卡爾的分析幾何。
牛頓的智力能力很快得到了認可，他在1664年獲得了一筆獎學金，這使他能夠在沒有經濟限制的情況下繼續學習。在此期間，他深入研究了數學，探索了無限小數微積分、無限數列和二項式定理等課題。
然而，由於大瘟疫的爆發，牛頓的學習在1665年突然中斷了。三一學院關閉了，牛頓回到了他家在伍爾斯特霍普的莊園。正是在這段與世隔絕、被迫孤獨的時期，牛頓取得了一些最重要的科學突破。
在這兩年的休整期間，也就是後來被稱為 "奇蹟年 "的時候，牛頓在數學、光學和物理學方面有了突破性的發現。他發展了微積分的基本原理，制定了他的運動定律，並對光和顏色進行了實驗。
牛頓在這一時期最著名的貢獻是他關於運動定律的工作，他在1687年發表了他的開創性著作《自然哲學原理》（《自然哲學的數學原理》）。在這部不朽的作品中，牛頓確立了支配物體行為的運動規律，並為理解天體的運動提供了一個數學框架。
牛頓提出環球引力理論
牛頓對物理學領域最重要的貢獻來自於他的萬有引力理論。1665年和1666年，在被稱為 "奇蹟年 "的時期，牛頓有了突破性的發現，制定了運動和引力定律。
牛頓的三個運動定律奠定了經典力學的基礎。他的第一條定律，即慣性定律，指出靜止的物體將保持靜止，而運動的物體將繼續以恆定的速度運動，除非受到外力的作用。第二條定律確定了力、質量和加速度之間的關係，而第三條定律指出，每一個動作都有一個相等的反作用力。
在1687年出版的《數學原理》中，牛頓提出了他的萬有引力理論。他提出，宇宙中的每一個粒子都會吸引其他的粒子，其力與它們的質量乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。這一革命性的理論為理解天體的運動和支配其行為的力量提供了一個數學框架。
牛頓的光學和運動定律
艾薩克-牛頓爵士對光學和運動領域都做出了重大貢獻。他的光學定律徹底改變了我們對光和顏色的理解，而他的運動定律則奠定了經典力學的基礎。
除了他在引力方面的工作，牛頓還在光學領域做出了重大貢獻。1672年，他進行了稜鏡和透鏡的實驗，導致他對光和顏色的性質進行了突破性的研究。他證明了白光是由各種顏色的光譜組成的，並解釋了色散的現象。
牛頓對光學的研究產生了一些突破性的發現，並制定了他的光學定律。他對稜鏡和透鏡的實驗使他對當時流行的光和顏色的理論提出了挑戰。
牛頓在光學方面的工作還涉及到反射式望遠鏡的發展，它使用一個彎曲的鏡子而不是透鏡來收集和聚焦光線。他的發明使天文觀測更加精確和清晰，徹底改變了天文學領域。
牛頓在其作品《自然哲學原理》（"自然哲學的數學原理"）中提出的運動定律，為經典力學奠定了基礎，改變了我們對物理世界的理解。這些定律描述了支配物體運動的基本原則，其應用範圍從日常經驗到天體力學。
牛頓第一運動定律，也稱為慣性定律，指出靜止的物體將保持靜止，運動的物體將繼續沿直線以恆定的速度運動，除非受到外力的作用。這一定律意味著，物體有抵制其運動狀態變化的自然傾向，需要施加一個力來加速、減速或改變方向。
第二運動定律將作用在物體上的力與物體的質量和加速度聯繫起來。它指出，一個物體的加速度與施加在它身上的凈力成正比，與它的質量成反比。在數學上，這一定律表示為F=ma，其中F代表凈力，m是物體的質量，a是產生的加速度。這一定律提供了力、質量和加速度之間的定量關係，使人們能夠預測和分析各種情況下的運動。
牛頓提出數學和微積分
牛頓對數學的貢獻同樣重要。他獨立開發了微積分，這是一個處理變化率以及計算面積和體積的數學框架。雖然微積分的發展與同為數學家的戈特弗里德-威廉-萊布尼茨存在爭議，但牛頓的工作為這一強大的數學工具奠定了基礎，它在物理學、工程學和許多其他科學學科中變得至關重要。
牛頓的數學工作超出了微積分的範圍。他在無限級數、三角學和二項式定理的研究方面取得了進展。他的數學貢獻為後來的數學家和科學家奠定了堅實的基礎。
牛頓在科學領域的影響
牛頓的萬有引力理論是他最重要的貢獻之一。他在1687年出版的《自然哲學原理》一書中提出，宇宙中的每一個粒子都會吸引其他的粒子，其力與它們的質量乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比。這一理論對天體的運動和支配其行為的力量提供了全面的解釋。它統一了對陸地和天體力學的理解，為研究天體、行星運動和空間探索的發展奠定了基礎。
牛頓的運動定律也在《原理》中提出，為經典力學奠定了基礎，成為物理學的基石。他的第一條定律，即慣性定律，確立了這樣一個概念：靜止的物體傾向於保持靜止，運動的物體傾向於保持運動，除非受到外力的作用。
第二條定律將力、質量和加速度聯繫起來，為人們提供了對力如何影響物體運動的定量理解。第三條定律指出，每一個動作都有一個相等和相反的反應。這些定律為研究地球上和太空中物體的運動提供了一個系統框架，它們仍然是物理學領域的基本原則。
牛頓獨立開發的微積分是另一項不朽的成就。儘管微積分的發展與同為數學家的戈特弗里德-威廉-萊布尼茨存在爭議，但牛頓的工作為這一強大的數學工具奠定了基礎。微積分為分析變化率以及計算面積和體積提供了一個框架。它已成為各種科學學科的一個基本工具，包括物理學、工程學、經濟學和計算機科學。
牛頓的光學實驗和理論徹底改變了我們對光和顏色的理解。他發現白光是由各種顏色的光譜組成的，這導致了光譜學領域的發展和對光如何與物質相互作用的理解。
牛頓關於光的行為的工作為透鏡、望遠鏡和顯微鏡的發展鋪平了道路，使科學家能夠觀察和探索微觀世界和天體世界。他的反射和折射定律為光遇到不同表面和材料時的行為提供了數學上的理解，導致了光學和光學儀器設計上的進步。
牛頓對實驗方法和科學方法的使用的強調對科學實踐產生了深遠的影響。他強調觀察、實驗和數據分析在發展科學理論和原則方面的重要性。牛頓的科學探究方法為經驗法奠定了基礎，即通過實驗和觀察來檢驗理論。他的工作確立了科學方法論的範式轉變，導致了實驗物理學的發展和科學知識的進步。
結尾
艾薩克-牛頓爵士在科學領域的影響是不可估量的。他的發現和理論徹底改變了我們對自然界的認識，為現代科學奠定了基礎。牛頓在物理學、數學和天文學方面的貢獻改變了我們看待宇宙的方式，為無數的科學進步鋪平了道路。
牛頓的工作對後世的科學家和思想家產生了深遠的影響。他的思想和原則成為進一步科學進步和發現的基礎。阿爾伯特-愛因斯坦和馬克斯-普朗克等科學家在牛頓的運動和引力定律的基礎上，擴大了我們對宇宙的理解。
參考文獻
【1】《牛頓》生活·讀書·新知三聯書店出版 威廉·蘭金 2021
【2】《自然哲學的數學原理》艾薩克·牛頓 1687
【3】《中小學課本里的名人傳記叢書：牛頓》國際文化出版公司出版 皮波人物國際名人研究中心 2013
