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第5章 牛顿(1)

伊萨克·牛顿(1642~1727),英国科学家,近代科学的奠基者之一。他出生在贫困的农民家庭,靠着自己的努力,成为知识渊博有独创精神的大科学家。他在天文学、光学、力学、热学、数学许多领域,有伟大的科学发现。他的《自然哲学的数学原理》是一部有划时代意义的科学巨著。他的万有引力定律等理论,为近代科学的发展提供了宝贵的基础。

牛顿是爱因斯坦以前最伟大的物理学家,他的理论奠定了经典物理学的基础。在漫长的一生中,他做出了许多伟大的贡献:他创立了微积分,为近代自然科学研究和工程技术的发展提供了有力的数学工具;他分解了日光,发现了光色的秘密;他总结出机械运动的三大基本定律,为解决繁多的机械运动问题奠定了理论基础;他发现了万有引力定律,建立了天体力学理论体系,使人类对宇宙的认识大大加深……在帮助人们认识客观世界方面,牛顿无疑是一位伟大的导师。

逃离死神的小发明家

在欧洲的岛国英国林肯郡格兰瑟姆镇南面约10公里处,有个偏僻的乌尔索普村。

1642年12月25日圣诞节的清晨,静悄悄的乌尔索普村里一幢用石头砌成的小楼,不一会儿,从小楼里传出了婴儿落地的呱呱哭声。

产妇边呻吟呻吟:指人因痛苦而发出声音。边望着自己的早产儿,脸上露出一丝苦笑。

原来,这个只有1.5公斤重的男婴,不但瘦得可怜,而且出生不久就全身痉挛(luán),连呼吸都越来越急促。两个接生婆低声商量了一阵之后,决定到城里去求医购药,以尽力挽救这个垂危的小生命。

在古老的双层石砌的农舍里,只剩下照料他们母子俩的邻居依莎。那个刚出生的小婴儿,因痉挛的关系,呼吸越来越急促,啼哭不止,像是十分难受。

不久,两位接生婆及时带回来的药,使这个奄奄一息的婴儿,终于从死神的手中逃脱,侥幸地活下来。

汉娜妈妈为了纪念过世的丈夫,给这个婴儿起名伊萨克·牛顿。

一出生就失去父亲的牛顿,在母亲细心的呵护下,终于安然地度过了多病的童年。

年轻美丽的汉娜,经人介绍要改嫁邻近牧区一个牧师史密斯。史密斯牧师比汉娜大十多岁,也许是因为小牛顿身体弱小,说话有些迟钝(dùn),外表也显示不出来聪明的缘故,史密斯不愿让汉娜带着孩子过门。

双方商定的条件是:女方不带孩子,男方割让每年收入50英镑的土地给孩子。

在当时的英国,牛顿有50英镑的年收入,再加上自家年收入30英镑,便可以维持生活了。

牛顿的外婆是位勤劳善良、待人亲切和蔼(ǎi)的老人,女儿改嫁以后,她担负起照顾外孙的职责,对这个没了父亲、又离开了母亲的孩子特别疼爱。

牛顿的外祖母主要靠租佃过活,她也时常干些农活,还在家里饲养禽畜,所以小牛顿只顾自己玩耍。

就这样,牛顿从小养成孤僻的性格,不太喜欢和别的孩子玩,沉默寡(ɡuǎ)言,胆小腼腆。

牛顿特别喜爱大自然。自然界太美了,叫不上名字的树木、花草,五颜六色,光怪陆离光怪陆离:形容现象奇异、色彩繁杂。,这都使牛顿产生了浓厚的兴趣。

牛顿从小喜欢摆弄小物件,会制造各种小玩具。放学回家之后,他就拿起锤(chuí)子、锯什么的干起来。

有一次,外婆给他买了一套木工工具,他高兴极了,很快做了一辆四轮车。他把小车推到村边的山坡上,然后坐上去往下滑。不料,车轮碰上一块石头,小车翻进沟里,摔坏了。他伤心得大哭起来。看热闹的孩子们都笑他“傻”。

牛顿没有灰心。他又做了一个小水车,拿到河边去玩,一试验,水车真地转动起来。同学们这回才知道牛顿并不傻,而是个心灵心灵:心思灵敏。手巧的人。

1649年,牛顿被送到一所离家不远的小学去读书。

本来,牛顿还对学校抱着许多幻想,以为那一定是很有趣的地方,甚至想象老师也许会教他做风车呢。但一进学校,他的幻想就破灭了。老师不像他想象中的和蔼(ǎi),每天拿着教鞭,一会儿敲敲黑板,一会儿敲敲桌子,弄得人心惊胆战。而且,老师并不教学生做风车,而是要他们扳(bān)着指头数数儿,或到黑板上写字母……

牛顿对这些功课非常厌烦,期待中的好玩事儿一样也没有,因此他对学校生活非常失望,每天都要外祖母催促着才肯去上学。

牛顿在学校表现不佳,可对制作的兴趣始终不减。他制成了一架精致的水车模型,带到学校里。同学们看到这么漂亮的模型,都纷纷围拢过来,赞叹不已。当他们知道这是牛顿自己制作的时候,对牛顿不禁刮目相看刮目相看:用新的眼光来看待。。只有一班上的大个子看牛顿居然抢了他的风头,大为不满,想羞辱他。他走过来看了看模型,撇撇(piě)嘴说:

“这根本不是牛顿做的。谁不知道牛顿是著名的笨蛋!”

“是我做的。”牛顿小声申辩。“怎么,你还不服?我问你,这水车既然是你做的,那你知道它为什么能转吗?”

牛顿确实没想过这个问题,一时语塞。

“骗子!”那大个子同学得意洋洋地说,一边拿起水车模型用力向地上摔去,然后转身想离开。

只见牛顿握紧了瘦小的拳头,用尽全身的力气,大声喊叫起来:

“你想干什么?你太欺负人了!”

随着喊叫声,牛顿猛地冲向那个摔坏水车的同学,连哭带叫发狂地攻击着。牛顿的举动使那个班上一向自诩(xǔ)为“大力士”的同学毫无准备,竟然在慌乱中被撞倒在地上。豁出命来的牛顿挥拳猛打,那大个同学居然被打得头破血流,连连求饶。

在一旁围观的男孩都睁大了眼睛,对牛顿的举动感到非常惊讶:呀!牛顿不是好欺侮的,看他现在多么凶猛!

这是牛顿有生以来第一次,也是最后一次打架。这场架,大大改变了牛顿的一生。从前他总是把自己看成是一个柔弱的人,别人嘲笑他,他也不敢讨回公道,总是一味忍气吞声,别人也因此更加看不起他。经过这次的打架事件,他知道:要赢得别人的尊重,就要事事胜过别人,不仅要在平常得到别人的尊重,也要在学业上领先其他同学。

牛顿升入中学后,也许是因为课程科目比小学多了,学习有了一定的难度,因此各科成绩都不十分好。

同班同学中,有人过去学习基础好,到校后刚刚取得一点点成绩就沾沾自喜沾沾自喜:形容自以为很好而得意的样子。,他们在牛顿的背后指指点点,说牛顿是“呆子”,而他们却自认为是“天才”。

对周围同学背后的种种议论,牛顿毫不介意,置之不理,仍然我行我素。上课时,他认真听讲,课后,他认真完成作业,严格地遵守学校的纪律。

放学后,牛顿从不在学校逗留,也从不到街头去玩耍,他总是一个人默默地回到药店的二楼居室,关上房门,常常沉浸在独自思考中。这是他不同于一般儿童的地方。

有一段时间,牛顿放学后先不回药店,却背着书包跑到格兰瑟姆镇的野地里,他是去观察风力和风向,然后把自己关在房间里去改进以前制作的风筝。

一天,夕阳西下,格兰瑟姆镇的广场上聚集着一群中小学生,他们将各种风筝放上天空,有老鹰、有蜻蜓、有别有蝴蝶……

人群中一个孩子高喊:“快看,那个风筝飞得多高!”

怎么,那上面好像挂着个小灯笼?”

“那是谁放的风筝啊!”

孩子们你一言、我一语地议论着。

一会儿,大家弄清楚了,那是牛顿放的风筝,他的风筝与其他孩子的不同,不是从商店买的,而是他自己动手制作的。

格兰瑟姆镇与乌尔索普比较起来,不仅地方大,而且也先进得多。镇上有一座风车磨房,牛顿每当经过这里,都要琢(zhuó)琢磨:思考;考虑。磨:风车为什么会转动呢?一向有好奇心的牛顿被深深地吸引住了。

牛顿经过反复观察,风车渐渐在脑子里活起来。他回到自己的小房间以后,就凭着记忆勾画草图。草图画成后,牛顿兴奋极了,他跑着去找好朋友,药店老板的女儿斯托丽,经过一番努力,两个小伙伴亲密合作,一架风车模型制成了。

药店老板克拉克先生,见到精致的风车模型,赞不绝口。他对牛顿说:“伊萨克,如果你愿意的话,就把它安装在药店的屋顶上吧!”

自此,风车在药店的屋顶上随风转动,吸引着过往的行人,它自然成了药店的招牌。

打这以后,克拉克先生明确表示,凡是药店里的物品,只要是牛顿感兴趣的,无一不可以供他动脑筋去研究。

药店里有一个沙漏时钟,它引起了牛顿的好奇,勾起了他研究的兴趣。

牛顿喜欢上沙漏时钟,就天天观察来观察去。他看到沙漏时钟有上下两个容器,沙就是通过中间连接容器的线管,从上方慢慢落入下方,而下边的容器外面有表示时间的刻度,根据沙子落下的多少来看时间。于是,他发现,由于沙子流动的快慢不均匀,所以造成计时不够准确。

这时候,牛顿联想到过去曾经读过的一本书,那上面记载有水漏时钟的说法。他觉得水漏时钟似乎比较精确,只要开一个非常小的洞,让水一滴一滴均匀地滴落,不是计时就会更准确了吗?他想着想着,就开始动手干起来。

当牛顿制成水漏时钟时,已是第二天清晨了,牛顿打开窗子,贪婪地呼吸着清新的空气。

“当、当、当……”教堂响起了洪亮的钟声。

这钟声每天早晨6时敲响。这时,牛顿快速把水装入槽,把指针拨向6点。

牛顿跑下楼去,今天是礼拜天,他快步涌入人流,到教堂去做礼拜。当他做完礼拜,飞快地跑上药店二楼时,见到水漏时钟正指着7时24分。牛顿怎能不高兴呢?他制作的水漏时钟能正确指示到分。

就在牛顿制作水漏时钟以前,意大利的科学家伽里略在1583年发现了摆的等时性,从那时起世界上开始有了机械钟表。可是,由于钟表的每个零件都需要经过手工精细制作,价格十分昂贵,所以当时一般的家庭还是使用沙漏时钟的多。

“牛顿制成了水漏时钟!”

“这可真不简单啊!”

这消息很快在格兰瑟姆镇上传开了,人们扶老携(xié)幼,都赶着来参观。消息传到格兰瑟姆中学,校长欣喜异常,也赶来参观。

格兰瑟姆镇因此热闹非凡,人们为这件事轰动了!

爱动脑筋的牛顿,不仅在发明创造上心灵手巧,经过一段时间的努力,各门功课的成绩也日趋进步。他读书喜欢钻研,爱提问题,也乐于和同学们共同研究探讨。他的热情、他的虚心,受到老师的喜爱,也得到同学们的赞扬。

1656年,当牛顿14岁的时候,他的继父史密斯去世了。

汉娜带着与牛顿同母异父的两个妹妹、一个弟弟回到乌尔索普村。这时为生活所迫的牛顿,也中断了学习,他的母亲亲自到格兰瑟姆镇把牛顿接回家。

回到乌尔索普的牛顿,成了一家的顶梁柱。汉娜把经营家业和耕种农田的事交给了牛顿,他不得不挑起这副担子。

有一次,牛顿赶着几只羊到野外去,羊去吃草了,他便拿起书专心致志专心致志:一心一意;集中精神。读起来。由于全身心投入读书中,就忘掉了周围的一切,羊闯进邻居的庄稼地,糟蹋糟蹋:浪费或损坏。了禾苗,他竟一无所知。邻居找到他,他忙着去道歉。

1658年的一天,一场罕见的风暴袭击着英伦三岛。风暴引起河水泛滥,树木也被连根拔起。

牛顿的家乡林肯郡(jùn)乌尔索普村也遭到劫(jié)难。风暴袭来了,树被刮得东倒西歪,农田里庄稼倒伏,村子里能干活的人,无一不冒着狂风暴雨,下到田里抢救压稼。

牛顿面对这少见的大风暴十分感兴趣。他想知道:这么强的风能把树吹倒,究竟它有多大的力啊!牛顿脑子里闪过这个念头,便兴奋得犹如着了魔。他在狂风中奔跑起来。

自从牛顿中途辍学后,格兰瑟姆中学的不少老师和同学都为这位初露才华的学生惋惜,特别是中学的校长时时挂记着牛顿。

这天,格兰瑟姆中学的校长也亲自到牛顿家里,校长是来说服汉娜让牛顿复学的。

在牛顿即将复学的日子里,詹姆士牧师嘱咐外甥说:“伊萨克,你就要回到中学读书去了。要记住,要么你是一个无所事事的大废物,要么你是一个大天才。究竟是什么,只有天晓得了!”

牛顿再次进入格兰瑟姆中学后,刻苦学习,他对数学、几何学特别钟情。除此之外,他还用心学习拉丁文、神学。为此,校长经常表扬他,并号召其他同学向他学习。

三大发明前后

1661年6月,牛顿告别了母亲、弟妹,独自前往他一心向往的剑桥大学三一学院。

剑桥大学由几个学院组成,牛顿被录取的三一学院,是剑桥大学里最大的一所学院。

牛顿是以减费生身份进入三一学院的,他一方面要为教授跑腿,一方面还要看自己的书,简直忙得透不过气,所以他的大学生活根本谈不上多彩多姿。不过,进入大学后最令他感到吃惊的是,他感到自己的学识太浅薄(bó)了。

1664年,牛顿已是大学三年级的学生了,他在这一年得到三一学院的奖学金。如此一来,牛顿就不必一面工作一面读书了,他可以把更多的时间用来研究功课。

1665年夏天,在英伦三岛发生了一场大规模的瘟疫瘟疫(wēnyì):指流行性急性传染病。,使牛顿暂时离开了剑桥大学,回到乌尔索普乡间过着与世隔绝的生活。

牛顿虽然回到家乡躲避瘟疫,可他对时间却抓得很紧,从大学里带回来需要研究的问题,时时萦(yínɡ)绕在脑际。

几年的大学生活,牛顿如饥似渴地学习新知识,在博学多才的名师的指点下,在他那善于思考的头脑里,一个个早已孕育着的问题,犹如汩汩(ɡǔ)清泉即将喷涌而出。虽然这时他只有23岁,但他积累的知识,为他去探索、揭示科学上的奥秘,打下了坚实的基础。于是,他开动了他那聪慧的大脑,去归纳、整理所学的知识,就像蜜蜂一样,采花以后就该“酿(niànɡ)蜜”了。

牛顿把各种实验用品,像磁铁、烧瓶、棱镜、透镜等,还有一些书籍,整齐有序地摆置在二楼的小房间里。这些用品,有的是自己动手制作的,有的是从节约开支中买来的,这从当时的条件看,已经是了不起的实验设备了。

牛顿曾经说过:“1665年和1666年两年鼠疫期间,我正处于发明创造的鼎(dǐnɡ)盛年华,比以后任何时候更潜心于数学和哲学。”(牛顿时代把自然科学叫做哲学)。

这两年牛顿有三大发明:“数学上的微积分”、“力学上的万有引力定律”、“光学上的光学分析”。

牛顿生活的时代,正当科学界研究天文学、观察天体运行风行的时代。自幼就对天空中日月星辰充满好奇心的牛顿,上了大学后便对天文学产生了浓厚的兴趣。

在剑桥大学的三一学院,牛顿如饥似渴如饥似渴:形容要求非常迫切。地捧读哥白尼、伽利略的著作,接受了波兰天文学家哥白尼在16世纪提出的“日心说”的理论。哥白尼的“日心说”,大胆地冲破了“地心说”的传统观念,提出地球不是宇宙的中心。哥白尼认为,人们觉得地球不动,是整个天空中的日月星辰绕地球旋转,是一种错觉。并指出这种错觉的产生,是由于地球本身自转引起的。

接受了哥白尼的“日心说”,牛顿又下功夫研读开普勒的著作。开普勒是丹麦天文学家第谷·布拉赫(1546~1601)的助手。

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