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自然哲学的数学原理

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《自然哲学的数学原理》
《自然哲学的数学原理》
《自然哲学的数学原理》这本书标志着牛顿力学三大定律万有引力定律的诞生,同时它也是一本当代青年不可不读的经典名著








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名书简介编辑本段回目录

作者:(英国伊萨克·牛顿(1642-1727年)
类型: 自然科学论著
成书时间:1687年

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牛顿画像
牛顿画像
牛顿,英国近代著名的物理学家数学家自然科学家经典力学的集大成者。

他出生于英格兰林肯郡的小镇乌尔斯普,他的家庭是一个自耕农家庭。在他未出世前,父亲就去世了。牛顿生而孱弱,过了3年,他的母亲再嫁给一位牧师,把孩子留在他祖母身边抚养。8年之后,牧师病故,牛顿的母亲带着后夫所生的一子二女又回到乌尔斯普。

牛顿自幼沉默寡言,性格倔强,惟一喜欢的是摆弄机械技巧少年时代的牛顿并不聪明,反而十分沉默孤独,惟一的优点就是动手能力比较强。传说他用小老鼠为动力做了一架磨坊模型;还有一次他在风筝上挂着小灯,放上天去,村里人在晚上看见时,以为是彗星出现了。他喜欢绘画雕刻,尤喜欢刻日晷,家里墙角、窗台上到处安放着他刻划的日晷。

12岁时,牛顿进入格兰瑟中学,他酷爱读书,喜欢沉思,对自然现象有好奇心,例如颜色、日影四季的移动,尤好几何学哥白尼日心说等等。在中学期间,他曾经寄住在一个药剂师家里,受到了化学实验的熏陶。牛顿的母亲原来希望他成为一个农民,能赡养家庭,但牛顿朝着学问方向越走越深。

艾萨克·牛顿
艾萨克·牛顿
1661年牛顿以减费生身份进入剑桥大学三一学院,他认真地攻读了欧几里得《几何原本》开卜勒光学笛卡尔几何学等。他的才华在大学期间开始显露。1664年获得奖学金,1665年以学士学位毕业。不久伦敦发生了严重的瘟疫,剑桥离伦敦不远,学校为此停课。牛顿于当年6月回到故乡乌尔斯普。

在故乡的两年,牛顿在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进前人没有涉及的领域,创建了前所未有的惊人业绩。1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则。同年11月,创立微积分。牛顿还 开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球运行轨道上去。他以旺盛的精力从事科学创造,并关心自然哲学问题。

1667年牛顿重返剑桥大学,10月被选为三一学院的仲院侣,次年3月选为正院侣。他的老师巴罗十分赏识牛顿的才华,以致在1669年他尚未满27岁时,巴罗就把自己的教授席位让给了他,牛顿成为接替巴罗担任卢卡斯讲座的教授。巴罗当时还不到40岁,远未到退休年龄。

牛顿在查阅资料
牛顿在查阅资料
早在1666年,牛顿就有了万有引力的想法,此后20年他不断观测研究月球绕地球运动,于1685-1686年用拉丁文完成了《自然哲学的数学原理》,由朋友哈雷出资于1687年出版。这为他赢得了极大的学术声誉。

牛顿得到大学时代认识的一位贵族后裔的帮忙,于1696年被任命为伦敦造币厂总监,不久任厂长,年薪400镑。这在当时是极其优厚的。1701年,他辞去了剑桥大学的工作,1703 年他担任英国皇家学会主席,一直任职到1727年。1705年他被安妮女王册封为骑士,从而获得了爵士的称呼。

牛顿于1727年3月31日在伦敦郊区肯辛顿寓中逝世,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂

在科学贡献上,牛顿的一生明显地分成前后两个阶段。前期,牛顿在科学上的创造相当多,除了在经典力学方面的巨大成就之外,他在数学微积分光学等领域都有非常显著的成就。牛顿的后30年,科学成就不大,经常陷入神学的思辨之中。

推荐阅读版本:郑太朴译,商务印书馆出版。

内容精要编辑本段回目录

《自然哲学的数学原理》书影
《自然哲学的数学原理》书影
《自然哲学的数学原理》提出了经典力学的三个基本定律和万有引力定律,这些定律都是建立在客观研究的基础上。牛顿十分重视科学研究的方法态度,他指明了研究自然的四条基本规则,这四条规则的核心问题是强调研究的客观性,即坚持对自然研究的唯物主义的态度。他自身的研究就是建立在长期实际观察的基础上。

同时他通过定律对自然现象解释,是以大量的数学分析为基础的,在本书的第一编第一章中,牛顿讲述了有关微积分几何学方面的内容。这些内容实际上是全书的数学基础。牛顿本来是微积分的发明人之一,但为了便于读者接受,他在这本书中却尽量避免使用比较困难的微积分的方法。他用的数学工具严格地限于几何。

书的开头部分有很长的“说明”,对书中所运用的一些概念基本定义,诸如天体力学运动等进行必要的解释说明。

牛顿亲自设计制作的反射望远镜
牛顿亲自制作的反射望远镜
在“说明”之后,牛顿认真详细地介绍了“运动之基本定理或定律”,即牛顿关于物体运动的三个定律。这就是我们现在所说的经典力学的三个基本定律。

第一定律:每个物体如果没有外界影响使其改变状态,那么该物体仍保持其原来静止的或等速直线运动的状态。牛顿认为这是一个基本的普遍的自然界的事实,也是无可争辩的。由这条定律出发,外力是改变物体运动状态的原因,而不是维持原有状态的原因。例如炮弹会停止和下落,是因为空气的阻力和重力的影响,如果不存在这种外力,那么炮弹将保持它匀速运动的状态。

第二定律:运动的变化与所施加的力成正比,并沿力的作用方向发生。这其实就是今天我们所说的动量问题,动量等于物体的质量与速度的乘积,速度的变化就是加速度。对同一个物体而言,所施加的力与由此产生的加速度成正比。

第三定律:对于每一个作用力,总存在一个与之相等的反作用力和它对抗;或者说,两个物质彼此施加的相互作用力恒等, 方向则恰恰相反。根据这个定律,牛顿指出,相互作用的两个物体不管表面上是否产生运动状态的变化,它们之间的作用力和反作用力都是成对出现或同时存在的。例如人用划船前进的运动中,能前进,就在于人用桨划入水中时,对水有作用力,水产生了一个相等的反作用力,推动船的前进。第三定律同样也适用于圆周运动中的向心力离心力

苹果的故事
苹果的故事
《原理》的主要内容是万有引力定律的确立及其应用。《原理》第一编第二章就是“论向心力之法”。从这章开始,牛顿通过对各种涉及到向心力的特殊运动形态的仔细认真地研究,逐步扩展到第三编论宇宙系统。他在第三编第一章论宇宙系统之原因的开头部分,用三个定理分别说明“使木星恒离开直线运动而留在其轨道内之力”,“使行星恒离开直线运动而留在其轨道内之力”,和“使月球不能离开其轨道的力”,都是一种向心力(其心分别为 木星、太阳地球),这些向心力均与其心的距离平方成反比。他在区别引力与磁力的不同之后,做出结论:一切物体均有重力(即引力),而且与其所含的物质之量(即质量)相比即成正比。牛顿提出了关于万有引力定律的比较完整的也是经典的叙述:

定理:两个物质相互间有重量,即相互间有吸引力,假如此物质在其距中心相等处为均匀的,则其一球对于其他球之重量即二者之间的吸引力,与二中心间距离之平方成反比。

在对万有引力定律进行了经典的表述之后,牛顿立即用它解释大量的实际问题,也就是从大量的自然事实来说明万有引力的存在。他所举的自然事实,包括月球运动的偏差、潮汐的大小变化、岁差的长短不一等等。

专家点评编辑本段回目录

牛顿
牛顿
对于地球上所有的苹果来说,没有比掉在牛顿头上的那个更重要的了。它适时地触发了那颗智慧脑瓜的灵感,从而发现了万有引力。这就是科普故事中的牛顿和苹果。解开故事的迷人面纱,我们会发现这个伟大的科学家是在前代研究的硕大成果上,提出了自己的理论。由此可以印证牛顿曾经说过的一句话:他只是一个站在巨人肩膀上的人。

牛顿生活的时代是英国资本主义最初的迅速发展的时期。在牛顿之前,西方的自然科学得到了很大的发展。经典力学方面,开普勒伽利略等科学家提出了力学的基本定律,解决了许多力学的难题。16世纪丹麦天文学家第谷行星绕日运行做了长年累月的观测,他死后德国天文学家开普勒整理并分析了第谷20年的观测记录,总结出行星运动的著名开普勒三定律。这个发现不仅为经典天文学奠定了基础,更重要的是导致了其后万有引力定律的发现。这些都为牛顿创造经典力学的完整体系提供了宝贵的资源。在前人的基础上,牛顿进行了认真的研究和总结,系统地提出了经典力学的基本理论,如力学三定律、万有引力定律等。奠定了近代物理学的基础。

他的划时代的巨著《自然科学的哲学原理》问世,牛顿力学三大定律和万有引力理论正式诞生,它标志着从哥白尼开始对亚里士多德世界图像所做转变的最后阶段。因此,它是近代科学开始形成的标志,是人类认识史上对自然规律的第一次理论的概括和综合。它总结了近代天体力学地面力学的成就,为经典力学规定了一套基本概念,提出了力学的三大定律和万有引力定律,从而使经典力学成为一个完整的理论体系。牛顿的这本书意味着经典力学的成熟,其中所建立的经典力学的理论体系成为近代科学的标准尺度。牛顿开创的物理学体系占主导位置长达200多年,成为很多科学进步和发现的基础。

伊萨克·牛顿
伊萨克·牛顿
从18世纪到19世纪末的科学发展都是在牛顿力学的基础上进行的。例如,万有引力学说在19世纪天文学发展中就显示出巨大的理论指导性作用。在爱因斯坦建立相对论学说后,牛顿力学成为它的一个特例,其作用并未因此而下降。至今它仍然是各种工程自然学科的重要基础。

这本书还对人类的思维方式产生了十分重要的影响,导致了哲学机械认识论的思想。牛顿力学研究的是事物的机械的因果关系,它给人们所提供的思维启示是,任何事物都是与其他事物保持机械的因果关系。18世纪法国唯物主义哲学中就明显地表现了这种认识

牛顿除了在力学方面的杰出贡献外,他关于白光由色光组成的发现为近代物理光学奠定了基础,同时也是数学领域中微积分学的创始人之一。尽管他的科学研究十分耀眼夺目,但他的人品却不像其学术那样光彩。

晚年的牛顿和其他皇家学院院士的关系声名狼藉,为了《自然 哲学的数学原理》中的研究数据,他和皇家天文学家约翰·夫莱姆斯梯德激烈争吵,甚至上到了法庭。为了争夺微积分创始人的身份,他和德国哲学家高特夫瑞德·莱布尼兹笔战不休,他们各自独立地发展了微积分,牛顿的发现要比莱布尼兹早若干年,可是他很晚才出版他的著作。分毫必争的牛顿以自己在学术界的影响力,指定了一个清一色的由自己朋友组成的“公正的”委员会来审查此案。结果当然可想而知。

在这两次争吵期间,牛顿已经离开剑桥学术。在剑桥他曾积极从事反天主教运动,后来在议会中也很活跃,最终作为酬报,他得到皇家造币厂厂长的肥缺。在这里,他以社会上更能接受的方式,施展他那狡狯和刻薄的能耐,成功地导演了一场反对伪币的重大战役,甚至将几个人送上了绞刑架。

纵观牛顿的一生,其晚年的经历就好像一个不完满的结局。恰如他的《自然哲学的数学原理》一样,前面提出了经典的理论,令人感到遗憾的是,牛顿在全书最后的“总论”部分加上一大段赞美上帝的话,即他有名的上帝是第一推动力的观点。不过牛顿毕竟是伟大的,他的这本著作也以其无法代替的重要性成为人类历史上的一座里程碑

妙语佳句编辑本段回目录

大自然的创造力是无穷无尽的。
如果说我看得远,那是因为我站在巨人肩上。

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相关资料编辑本段回目录

《牛顿评传》;《牛顿传》;《影响世界的100个名人》;《物理学史》

词条分类编辑本段回目录

牛顿;英国;力学;自然科学;世界历史名书;传世经典文学

相关链接编辑本段回目录

http://www.1818wow.com/wiki/%E8%89%BE%E8%90%A8%E5%85%8B%C2%B7%E7%89%9B%E9%A1%BF
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