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站在巨人肩膀上的巨人:牛顿

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  (图片来源:bing)

  “如果我比别人看得更远,那是因为我站在巨人的肩上。”这句家喻户晓的名言来自一位叫艾萨克·牛顿的科学家。你一定听过这个名字,而当你深入了解了这位科学家的生平,或许会打心底感叹一句,他不仅站在巨人的肩上,他自己就是巨人。

  假如给牛顿整理一份简历,那他应该算是当今非常时髦的“斜杠青年”,在身份一栏或许会这样写着:

  “牛顿:天文学家/物理学家/数学家/自然哲学家/炼金术士。”

  可不只是简单涉猎,这里几乎每一个领域都有牛顿所创造的成就与发现。比如,牛顿是第一个变出彩虹的魔术师,他率先使用三棱镜将白色的太阳光分散为七色光,发现了光的色散现象;牛顿还是一个让现在的大学生“苦恼”的人,当你进入大学,一定会接触到一门叫做微积分的课程,而牛顿正是它的创立者之一。作为数学家的牛顿与另一位数学家莱布尼兹分别独立创立了微积分学,也就是大名鼎鼎的牛顿-莱布尼兹公式;他还喜欢仰望星空,所以发明了反射式望远镜。

  当然,在他创立的诸多成就中,具有最大影响力的还数经典力学体系。从物理学的发展来看,正是从牛顿开始,才有了对物理学的系统研究。这些发现发表于他的传世巨作《自然哲学的数学原理》中。这套理论最终被概括为万有引力定律和牛顿运动学三大定律。

  万有引力定律为我们揭示了重力的来源,而运动学三大定律,则在物体的运动状态和所受到的力之间连起了一条线。让我们来分别认识这三大定律——所有的物体都很懒,它们更喜欢保持原有的运动状态。这就是牛顿第一定律的一种解释。如果你不用手去碰,放在桌子上的茶杯会一直稳当当地静止,不会突然“跑起来”;在光滑的地板上,小球会一直向前滚动,除非碰到墙壁。物体都具有保持本来运动状态的天然属性,这一性质被称为“惯性”,所以,牛顿第一定律又被称为惯性定律。可如果我们想要改变物体的运动状态,应该怎么办呢?受力。这便是牛顿第二定律,这一定律总结出了力的大小和运动加速度(表示速度变化的快慢)之间的关系。

  还是拿放在桌子上的茶杯来举例。最开始它在桌面上保持静止,是因为所受到的力相互抵消,综合效果就好像不受力一样,所以一直保持着不动的状态。当你用手推动时,茶杯受到了新的力,因此在力的作用下运动状态改变,并且你推动茶杯的力越大,它的速度变化就越快。牛顿第二定律告诉我们,同一个物体受到的外力越大,速度变化就越快;而如果在施加相同外力的前提下,物体的质量越小,速度变化越快。换句话说,质量越大的物体运动状态越难改变。

  在你推动茶杯的过程中,一定会感受到来自茶杯的“对抗”——一阵反方向的力。这便是牛顿第三定律的内涵,在自然界的力总是成对存在的。你推茶杯的同时,茶杯也在推你,这两个力性质相同,大小相等,方向却相反,分别由施力物体和受力物体发出。

  读到这里你一定发现,牛顿的确是个了不起的天才。他用自己发现的物理学规律解释了许多生活里司空见惯的现象。虽然如今,量子物理学的发展在不断对牛顿所创立的经典物理学理论发出挑战,但依然不能抹去牛顿对整个物理学发展的贡献。而牛顿本人也十分谦卑,他说,他就像是一位在海岸边捡贝壳的孩子,而远处的汪洋大海充满了科学的神秘与未知。

  参考资料:

  https://www.biography.com/scientist/isaac-newton

  https://www.youtube.com/watch?v=JGO_zDWmkvk

  作者:比邻星

  审稿: 张轩中(中国科普作家协会会员,中国物理学会会员)