1、第4课近代科学之父牛顿早期科学发明与创造1童年时期材料一在依萨克还是个蹒跚学步的孩子时，一位名叫巴纳巴斯史密斯的老鳏夫看上了他的母亲。此人是北威特姆村的教区长，这个小村在伍尔索普东南部约一英里多一点的地方。史密斯在牛津大学获得了学士和硕士学位，由于从父亲那里继承了可观的遗产，他非常富有。他们于1646年1月，即小依萨克三岁生日后一个月结为夫妇。不知为什么，他们决定将依萨克留在伍尔索普由外祖母玛格丽艾斯库抚养。这个从来没见过自己父亲的遗腹子，突然又要与母亲分离了。随着他渐渐长大，他才发现母亲住得一点也不远；爬上树他就能看到远处北威特姆村教堂的塔尖。汉娜就在那里，那个把她“偷走”的神秘人物也在那里
2、。这种失去亲人的感觉，就像精神上的毒瘤，咬噬着他的心。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二放学之后，牛顿不和其他孩子一起玩耍，而是忙于制造各种小玩意儿和木头模型：为了做这些手工活，他买了许多小锯子、小斧子、小锤子还有一整套工具，这些他都可以灵活自如地使用。牛顿在参观了一个磨坊的建造工地之后，就想给自己做一个风车模型。当模型做好了之后，他把一只老鼠放进去，叫它“磨坊主”。他给老鼠一些玉米，在努力够取食物的同时，这个“磨坊主”带动了一个轮子，而轮子又驱动了风车。这个少年也曾同样沉迷于风筝，他用纸做了各式各样的风筝，想试试哪个飞得时间最长。他还用皱纸做了一些灯笼，放根蜡烛进去，在漆黑的冬日早晨，
3、他在上学路上就用它们照明。有时，夜里他还把这些灯笼系在风筝的尾端，吓得村民们以为那是划过夜空的扫帚星。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料三尽管与学校的大多数同学相比，依萨克身材瘦小、体质虚弱，但是用斯图克莱的话说，他试着教同学们“怎样玩得科学”。在1658年9月护国主克伦威尔去世时，恰巧一场猛烈的风暴席卷了英格兰，人们迷信地认为那是魔鬼骑着旋风来收他的游魂。依萨克利用这个少有的机会，与几个比他体育好的孩子比赛，看谁跳得最远。使他们又惊又窘的是，依萨克精心计算了风力后，竟然赢了他们。多年后，牛顿对一位亲戚说那次是他的第一个实验。牛顿早年这种对气流推力的兴趣，随着时间增长，发展成了深深的沉迷。
4、甚至早在牛顿进公学之前，他就开始研究太阳运动，他在伍尔索普宅的院里、墙上和石瓦屋顶上追寻它的轨迹。依萨克还用锐器在房子朝南的一扇窗户旁画了两个日晷。他在格兰瑟姆镇克拉克的房子旁也刻了同样的日晷线，并且用钉子表示出整点和半点。据斯图克莱说，“大家都叫它依萨克的刻度盘。人人都读得出上面的时间”。据说牛顿后来只要扫一眼书房墙上阴影的位置就可说出几点了，几乎每次都与他兜里的表一样准确。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料四在他的众多机械模型中，人们最常提到的是水钟。它是用克拉克的妻弟给的木盒子做的。它大约四英尺高，在顶部表盘上用数字表示钟点。这个水钟是由一块木头驱动的，这块木头随着水滴的节奏交替地上
5、升、下降。水钟就放在依萨克的房间里，克拉克家的人偶尔也会去看一下时间。依萨克牛顿就像列奥那多达芬奇和本杰明富兰克林一样，他们小时候并不是无目的地瞎玩，而是在玩的过程中融入了思想和技巧。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】美国历史学家盖尔E.克里斯汀森所著牛顿与科学革命用既权威又易懂的笔调介绍了牛顿的一生和他所处的时代。文中没有令一般读者感到晦涩难懂的有关数学和古典物理学的深奥论述。作者在故事中娓娓道来，揭示了牛顿是如何发现支配着我们这个有序又可知的宇宙的原理的。牛顿从小孤独，尚未出生父亲就已去世，三岁时母亲改嫁，牛顿由外婆带大。八年后母亲返回时，牛顿已经学会隐藏内心想法，将自己与外界隔绝
6、。牛顿从小就对机械很感兴趣，善于动脑。从总体上看，小牛顿的性格是稳健、谦逊、沉默，对奋斗目标有着坚定信念。材料一反映了母亲改嫁对牛顿幼小心灵产生了强烈影响。材料二、三、四介绍了牛顿的一些发明，如风车、日晷、水钟，表明牛顿从小就对科学研究感兴趣。【注释】列奥那多达芬奇（14521519）：意大利博学者，建筑师、解剖学者、画家。本杰明富兰克林（17061790）：18世纪美国最伟大的科学家，著名的政治家和文学家。2中学时光材料一牛顿学习得很快，是个天赋的无师自通者，可是老师们大多忽略他，同学更不会喜欢他。那时，学生被要求死记古典语文和宗教教义等核心课程，完全不需要想象力，故也启发不了怀疑的能力。以
7、现代人的思维而言，牛顿在进入剑桥大学之前，从来没有受过正式的数学训练，却能有那么伟大的科学成就，乃是令人难以置信的事情(即使在剑桥，大一的课程表中也没有数学这门课)。依萨克最早是以念他继父遗留下来的书籍来打发时间的，后来在格兰瑟姆的某一教堂图书室中找到一些书来读。这个教堂的走廊上方有间狭长的房间，里面收藏了许多书，但大部分无味如干草幸亏他又找到了别的书，引导他通往科学方面的最重要的一本书是自然与工艺的神秘，作者名叫约翰贝特。牛顿发现这本书时年约13岁，他被这本书完全迷住了，特地花了两个半便士买一本练习簿将书上重要的部分抄录下来。英麦克尔怀特最后的炼金术士牛顿传材料二克拉克先生的哥哥约瑟夫克拉克
8、博士是国王中学的教员，于不久前去世，遗留了很多书籍给克拉克先生。可是克拉克药剂师工作太忙，对这一批书虽然有兴趣，却没有时间阅读。也许牛顿自愿为他整理书籍，以换取自由阅览的机会，反正牛顿说服了克拉克先生，准许他每个星期六躲在药房后面的小房间里，静静地阅读那批包括物理、解剖、植物、哲学、数学等的藏书。那是牛顿首次接触这些基础科学，以前他读过贝特的自然与工艺的神秘一书，成为他日后试验和实用技术的基础。那批藏书中必定有许多伟大作家和自然哲学家的文献很可能牛顿就从中首次看到培根、笛卡尔、亚里士多德、柏拉图等伟大人物的学说，因而那批藏书给予牛顿的教育，其完整性及实用性比那局限于狭小范围内的学校教育要强得多
9、。英麦克尔怀特最后的炼金术士牛顿传材料三在家乡居住的时候，如果母亲叫他去照顾羊群、收采玉米，或者到镇里办事，他常常都会误事(就是说总办不好事情)。他最爱做的事是手上拿一本书坐在树下看，或者用小刀忙着做木工，想到什么就做什么。要不然就跑去溪边，让流水转动他自制的小水车。牛顿做事马虎，还曾经被当地执法机关惩罚。附近的科尔斯特沃思村的地方法院记录记载，1659年10月28日有一个名叫依萨克牛顿的人被罚了3先令4便士，处罚原因是“放任他的羊群破坏了田野小树”。另外又有两次罚款，每次都罚1先令：一次是因为“放任他的猪群践踏玉米田”，一次是“纵容他田园的篱笆毁损不予修理”。汉娜看到依萨克做事如此不负责之后
10、，就派一个老仆人去监督他，同时也加以照顾和指导。汉娜那样尽心安排，不必想就知道必然失败，牛顿立刻转而去利用这位老仆人，让他代劳所有劳务，自己则溜去读书，或者做些有趣的事情。英麦克尔怀特最后的炼金术士牛顿传【解读】英国知名传记作家迈克尔怀特所著最后的炼金术士牛顿传一书从科学发生学的视角，提出了牛顿痴迷炼金术与奠立近代科学基础之间的重大关联。作者以特有的直觉和史料求证，借助于牛顿的重要信件和若干从未公开出版过的笔记，阐释了牛顿从事炼金术和神学研究对于他发现万有引力以及后来进行的统一场论研究的紧密关联，还原一个真实的牛顿。1654年牛顿进入格兰瑟姆中学，寄住在一位药剂师克拉克家里。牛顿阅读了一些自然
11、科学知识，学习成绩也由开始时的马马虎虎到后来的突飞猛进，受到校长斯托克斯的赏识。中学时光是牛顿一生中最快乐的日子，但他母亲在他十五岁时却让他辍学回家务农。牛顿对农活不感兴趣，消极怠工。母亲无可奈何，在中学校长以及牛顿舅舅的劝说下，母亲终于同意牛顿重新返校。材料一、二表明牛顿对自然科学知识情有独钟，并且有很强的自学能力。材料三反映了辍学后牛顿仍然醉心于科学研究，对农活不感兴趣。【注释】培根（15611626）：英国著名的唯物主义哲学家和科学家。笛卡尔(15961660)：法国数学家、科学家和哲学家。亚里士多德(公元前384公元前322)：古希腊最著名的哲学家、渊博的学者。他的学术思想对西方文化、
12、科学的发展产生了巨大的影响。柏拉图（公元前427公元前347）：古希腊数学家、哲学家、教育家。3剑桥求学材料一当牛顿于1661年6月5日在剑桥大学三一学院注册为学生时，他只能排在社会阶级中的最底层，以准减费生的资格入学(上课一个月之后变成减费生)。准减费生和减费生都只比仆人好一点点，他们要为特权学生收拾房间、清洗便器以贴补学费。所谓特权学生包括资优生、公费生、全自费生、贵族子弟和富商子弟等。牛顿的工作是属于哪一类的减费生一直都不很清楚，传统上，减费生要服侍非减费生，但有时候也有专门替一个研究员工作的情形，而这位研究员必须是他的指导老师。后人一向以为牛顿的减费生工作是属于前一类，这或许是对的，不
13、过另外也有证据显示他事实上是为巴宾顿工作。巴宾顿是格兰瑟姆药剂师克拉克先生的妻舅，在三一学院担任研究员。英麦克尔怀特最后的炼金术士牛顿传材料二三一学院图书馆的藏书超过3 000本，但是学生们只有在校委会成员的陪同下才能进入图书馆。在那里，两个人的观点和理论对牛顿产生了重要影响，一个是法国哲学家笛卡尔，另一个是在牛顿出生那年去世的意大利天文学家伽利略。这两个人都公开挑战亚里士多德学说。笛卡尔提出了几何理论和机械哲学，他想象宇宙中充满了肉眼看不见的物质，它们形成巨大的漩涡，使星球向前运动。伽利略用几何学的思维方式研究运动，认为物体都是由相同的物质构成的，因此物体下落的速率相同。美詹姆斯格雷克牛顿传
14、【解读】美国科技史学家詹姆斯格雷克所著牛顿传结构紧凑、气氛逼真、行文优雅，在美国出版后迅速风靡全球，持续热销。1661年牛顿以准减费生的身份进入剑桥大学三一学院就读。进入大学后，牛顿开始接触到大量的自然科学著作。材料一反映了牛顿进入大学时处于学生底层，这刺激了牛顿敏感的心理，到1664年才摘掉仆役生的帽子。材料二反映了牛顿如饥似渴地阅读自然科学著作，尤其受到了笛卡尔和伽利略的影响。【注释】伽利略（15641642）：意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。4伍尔索普时期材料一牛顿最伟大的数学突破，在于领悟到某个方程的一种特定运算方法，它能够导出用该方程式来表示的曲线上的准确斜率
15、，这种运算法就是微分的本质。另外有一种也是应用在方程上的运算方法(即后来所称的积分)，可以算出该方程式所代表的曲线下方的面积。微分与积分两种方法合并起来就叫做微积分，它是数学家和科学家所依赖的强力有效的工具。牛顿第一篇数学论文是关于一种求和法，将曲线分割成无穷小的弧线线段，再把无穷个小弧线线段相加起来的算法(这是充分了解微积分技巧的必要门槛)，这种算法于1665年的5月完成。一旦有了通用的微积分计算方法，牛顿的下一步就是将微积分应用到行星运行的实际问题上：行星环绕太阳的轨道、月球环绕地球的轨道以及如何用数学式的定律来表示那些运动。英麦克尔怀特最后的炼金术士牛顿传材料二在伍尔索普时，牛顿构思了一
16、个新奇的实验。他把楼上朝南的卧室遮严，在窗板上钻了一个八分之一英寸的孔，让自孔中射入的光穿过一个棱镜，结果光谱就投射到对面的墙上。令他惊奇的是光谱呈长条状，而并不是笛卡尔推断的圆形。这只能说明一点：七种光都被折射或弯曲，以不同角度穿过棱镜；红色的角度最小，紫色的角度最大，其他颜色介于两者之间。牛顿又精心构想出另一个同样重要的实验，后来他称这个实验为“关键实验”。他在孔附近放一个棱镜，又在距前一棱镜五六码处放了第二个棱镜来折射光谱。蓝光穿过第一个棱镜时，折射角度大于红色。他写道：“这些颜色的样子在所有情况下都相同。”后来他意识到如果光线的折射角度或者说正弦能被准确地计算出来，就会产生新的折射定律
17、。他立即着手计算这些角度，进一步证实了他的远见自然界是按照精确的数学定理运行的。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料三通过“关键实验”，他还得到了另一个同样有价值的发现。牛顿观察了每种色光穿过第二个棱镜后的情形。正如他所料，蓝色仍是蓝色，橙色仍是橙色，等等。他旋转了棱镜，每种颜色仍没有发生变化。如果按照古老的观点，颜色只不过是白光变化后的产物，那么放置第二个棱镜后，就会产生其他的颜色，红色会变为橙色，或蓝色会变为靛色。但事实并非如此。毫无疑问，他证明了白光是由光谱中的各种颜色构成的。当它们穿过透镜时，根本没有发生变化。用一位诗人的话来说，依萨克牛顿“解开了白日那闪光的外袍”，又熟练地把它合上
18、了。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】1665年由于瘟疫肆虐，牛顿回到林肯郡的乡下，开始了现代科学史上最伟大的一次知识探索。几十年后，当回想起瘟疫肆虐的1665年和1666年，他在给法国学者皮埃尔德梅索的信中写道：“那段岁月是我创造生涯中的鼎盛时期，以后我再也没有像那时那样投入地研究过数学和哲学。”历史学家们把他在伍尔索普度过的这段时光称为奇迹之年，牛顿在数学、力学、光学等领域的研究都取得了重要进展。材料反映了牛顿的微积分算法得以完善，从而为探索自然界提供了精确的数学基础。牛顿对这个新的运算方法兴奋不已，也表明牛顿具有非凡的洞察力。材料表明，通过光学实验，牛顿得出白光是由七色光组成的，
19、阐明了颜色的形成原理。不过，所有这些发现牛顿并没有向外宣布。5剑桥生涯材料一到1669年，巴罗已充分认识到牛顿无与伦比的数学天赋。当巴罗自伦敦的约翰柯林斯那里接到尼古拉斯墨卡托的新论文对数的艺术后，立即热情地回了信，他的回信令柯林斯深感惊诧：“我这里有个朋友，对这些东西很有天分。前几天他给我看了一篇论文，文中讲述了计算量的大小的方法，与墨卡托先生有关抛物线的内容类似，只是非常概括。”这位不知名的朋友当然是指牛顿，而巴罗提到的文章则是牛顿的小论文在分析中采用无穷级数。奇怪的是，巴罗费了好大劲才说服牛顿将他的论文公诸学术界。因为尽管墨卡托发表了这个方法，但牛顿写的在分析中采用无穷级数的原意就是要确
20、立自己对这个方法的首创权。焦急的柯林斯不得不苦等两周，才收到巴罗答应寄给他的材料，但上面仍未署牛顿的名字。直到看到柯林斯在回信中热情洋溢的赞美，巴罗才回复：“很高兴你这么满意我朋友的论文，他是牛顿先生我校的一名非常年轻的研究员但他天赋过人，精通这些知识。”美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二牛顿小时候就做过模型、钟表，练就了一双巧手，他立即开始工作。他用了一片薄薄的金属，而不是用手工工具几乎不可能磨平的玻璃，在中间挖了一个碟状的孔。然后他准备了一种由铜、锡、砷组成的特殊白色合金，精心打磨。当这项乏味的工作完成之后，他把这面金属镜做成反射镜，将它与其他零件一起装入一个小直筒。1669年2月2
21、3日，牛顿在给一位无名的朋友的信中，描述了这个反射镜的效果。牛顿计算出这个望远镜：“能将物体的直径放大大约40倍，任何6英尺长的望远镜都达不到这个效果，我对这点确信无疑。我可以用它清晰看见圆圆的木星以及它的卫星。”他毫不怀疑精心制作的6英尺反射镜与任何一个“用普通方法制成的60到100英尺长的望远镜”效果相同。他意识到这样的说法让人难以理解，又说“这可能是一个奇怪的断言，但这确实是我根据光的特性所做的一些实验的必然结果”。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料三1674年底，奥顿伯格兴高采烈地收到了牛顿写过的最大胆、最深奥的论文解释光的性质的假说。皇家学会会员们深为触动，12月9日和16日的两
22、次会议几乎都用来讨论这篇论文。接着，在圣诞节假期后，1674年12月30日和1675年1月13日的两次会议又仔细讨论了它的主要观点。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料四起初，牛顿认为写完论公转体之运动，问题就解决了。但是他的创造力一旦发挥出来，那劲头就抑制不住。“既然我已着手研究这个问题，”1685年1月，他在给哈雷的信中写道，“我就一定要探究到底，然后再发表论文。”在他的心目中，论公转体之运动只是一部杰作的雏形，他将写出一部有史以来最伟大的科学巨著。此后的十八个月里，他完成了科学史上最紧张的劳作。1686年4月，牛顿递交并题献给皇家学会他这部杰作的头三分之一。他把这部书的标题定为自然哲学
23、的数学原理，人们一般将它称做原理。据记载，原理共分三册，第一册讲的是在没有摩擦力和阻力的情况下的运动。第二册是关于液体的运动和摩擦力对于在液体中的固体运动的影响。第三册则题为世界的体系。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】1667年，牛顿返回剑桥大学三一学院，1669年受巴罗推荐，年仅27岁的牛顿受聘为卢卡斯讲座教授。从一位不起眼的大学生，到站在科学巅峰山脚下的学者，牛顿只不过花了4年时间。剑桥时期是牛顿科学研究的成熟期，在数学、光学、力学等领域继续取得丰硕成果。1672年牛顿当选为皇家学会院士。材料一反映了牛顿于1668年完成的数学论文在分析中采用无限级数已使他跻身顶尖数学家行列。材料
24、二反映了牛顿凭借光学理论以及心灵手巧制造出世界上第一台反射望远镜，而其理论基础就是材料三提到的解释光的性质的假说，这引起皇家学会的轰动。材料四反映了牛顿发现了万有引力，并于1687年出版了自然哲学的数学原理一书。【注释】皇家学会：成立于1660年，由国王查理二世亲自特许的科学机构。它的成员包括当时英国内外最优秀的科学家，学会主张用观察法和实验法进行研究。学会的发现通常刊登在哲学会刊上，成为其他科学杂志的样本。6伦敦时期材料一当时牛顿很可能问过自己：“这算是什么主席?”学会财库空空；新提出的科学设想简直是凤毛麟角；会员人数由1680年的二百人减至他上任前夕的一百零几人。更糟的是，出席学会周会的人
25、极少，参加大会的人更少得可怜。有时参加表决的人数也就是玩二场桥牌所需的四个人。会员们讨论的问题主要是医学或者稀有动物的结构。牛顿主持的头几场会议中，有一次来者寥寥无几，他只得取消了那次会议。这位愤怒的主席做出的反应是起草了一份总体规划，题为“建立皇家学会的方案”。他直言不讳地指出这个组织已不复存在，一切必须从头开始。他写道，首先学会应该重拾自己最初的使命，也就是“发现自然的构架和运行机制，(尽可能地)将其归纳为普遍规律或定理，通过观察和实验确立这些规律，然后推导出事物的成因和作用”。熟悉新自然哲学的人会发现，牛顿是在倡导使用伽利略的科学方法。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二在牛顿的铁腕
26、政策的统治下，皇家学会在遭人冷遇、勉强糊口地生存了五十年后，终于建立了坚实的财政基础。10个月后，当克莱恩宫按计划改建完后，学会会员们像忠顺的侍臣一样聚在绝对权威的领袖周围。根据新通过的委员会条例，只有主席可以坐在上首，而两位秘书则分别坐在下首。在会议期间，委员们除非事先向主席请示，否则就不可以讲话。牛顿仍不满意，他又立了一个规矩权杖，作为权威的象征，只有在主席就座时，才能放在桌上。当他缺席，由副主席取代他的位置时，权杖还得放在架上。威廉斯图克莱博士，这位后来与牛顿结为朋友的林肯郡的年轻医生，对当时的情景做了以下描述：“在牛顿领导皇家学会期间，他履行自己职责时具有非凡的审慎、风度和尊严。当他要
27、阻止任何改进自然知识的尝试时，总是非常慎重。会上没有窃窃私语、高声谈笑。他深思熟虑、严肃认真、大方得体地处理每一件事。实际上，他的风度自然地唤起了与会者的敬畏之情。”美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料三1704年2月16日，秘书汉斯斯隆在皇家学会的杂志中写入了以下条目：“主席将他的光学一书赠给了学会，哈雷先生应邀通读全书，并将梗概交给学会。由于主席赠书，并且乐于将其出版，学会向他致谢。”光学中满是对反射、折射的细致描述、将白光分离为色光的过程、眼睛的作用方式、透镜成像、彩虹的颜色、反射式望远镜的构造，以及许多其他的内容。牛顿用英语写成光学一书，使更多的读者可以理解它的内容；而在原理中使用的
28、古典拉丁文，则使许多潜在的读者望而却步。他的朋友，在几个月后去世的约翰洛克，觉得第一本书难以理解，而在读光学时，却“轻松愉快，读懂了书中的每一处”。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】从1688年起，牛顿开始担任社会职务。1696年牛顿离开剑桥，接受皇家造币厂新职，迁居伦敦。1703年牛顿当选为皇家学会主席，锐意改革，鼓励观察和实验。尽管牛顿有众多其他职责，他并没有放弃对科学的追求。1704年出版第二本巨著光学，终于将沉寂30年的论文发表。材料一反映了牛顿当选为皇家学会主席后面对困境，锐意改革。材料二是一位皇家学会会员的描述，说明改革后的皇家学会有很大起色，牛顿起着领袖的作用。材料三说明
29、牛顿继续科学研究，终于将三十年前的论文整理出版。【注释】约翰洛克（16321704)：英国哲学家，经验主义的开创人。他同时也是第一个全面阐述宪政民主思想的人，在哲学以及政治领域都有重要影响。发现万有引力7在联系中研究材料一牛顿相信月球和地球之间的吸引力与它们之间距离的平方成反比。这样，如果物体间的距离是一定的，它们之间的吸引力也是一定的，当距离增大两倍，吸引力不是减为二分之一，而是四分之一；当距离增大到三倍，吸引力不是减为三分之一，而是九分之一。如此类推，随着距离增大，吸引力便以更小的比例递减。这一公式同样适用于太阳和行星之间的关系。这样，一个新的普遍定律问世了。牛顿后来这样描述这一时期：“我
30、得出结论，维系行星在轨道运行的力，一定与它们距旋转中心的距离的平方成反比。”但是其中有一些问题。尽管用尽一切办法，这个年轻的天才还是没有得到他预期的计算结果。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二1665年5月，在剑桥关闭前不久，牛顿在学校完成了他第一篇重要的数学论文。11月，他在伍尔索普写完了更为领先的第二篇论文。在瘟疫流行的1666年，他又有三篇论文问世。他的著作涉及一个创新性的运算方法，他称其为“微分”，即与不断变化的速率有关的量。1666年底，在依萨克牛顿将临二十四岁生日之际，他已是世界上最先进的数学家了。一些运动和量并不是确定无疑、一成不变的，而是经历了开始、波动，乃至消失的过程，
31、这个问题可以用他的微分，即我们今天所说的微积分解决。通过微分，牛顿可以确定一个物体在下落过程中加速度的每一个微小变化，精确地计算出旋转着的行星的运行轨道，算出一个在地面滚动着的球，在减速直至停止时的确切速度。总之，不论是解决物体运动速度的最小变化牛顿称之为“无限小”，还是解决其在空间的路径这样的问题，微积分都是卓有成效的工具。牛顿意识到解决自然问题时需要绝对的准确，他提出了一种顺其自然解决的数学方法，这个成就无与伦比。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】牛顿在研究天体的过程中，认为宇宙中一定有相互牵动的力量，通过观察与研究，提出了万有引力定律。上述材料说明，牛顿的科学研究是一个整体，他把
32、引力的概念与天体研究紧密联系，其力学成为经典力学理论不是偶然的。勤奋的探索与科学的研究方法8勤奋与执著材料一任何文件上都没有记载有人指导过牛顿，因此人们认为牛顿像自学许多其他知识一样，也自学了数学。他的指导教师普林是一位希腊文教授，最多也只能给他一些鼓励，就算可能的话，在这一领域给他的指导也微乎其微。日后，牛顿至少有两次对数学和哲学方面的自学做出过评论，他的态度让人们想到这是他自身的经验，而不是巧合。他已独自开始了伟大的追求，也将独自完成，封闭在自我保护、与世隔绝的内心世界里，不为世俗的好恶所左右。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二牛顿的秘书谈到过牛顿“废寝忘食”的程度：他陷入极度的冥思
33、苦想之中，连自己吃了饭没有都记不清楚。有时，他衣服只穿一半就一整天失神地坐在床沿上。他从不休假或休息片刻，从不骑马外出，从不散步，不玩九柱戏，也不运动；只要有一小时不看书学习，他就认为是浪费了光阴。他极少离开房间，只有当他以卢卡斯讲座教授身份讲课时才离开由于他专心致志地工作，他经常忘记吃午饭他很少在夜里二三点之前睡觉，而是常常在凌晨五六点钟才上床。他一天总共只睡四五个小时，特别在秋天和冬天，他的化学实验室里的炉子整日整夜地烧着。德H.武辛伊萨克牛顿材料三1663年的某个时候那是牛顿在三一学院度过的第三年，他写了一个全新的部分，题为“一些哲学问题”。更重要的是，他在第一页开头写下了开拓性的字句：
34、“柏拉图是我的朋友，亚里士多德也是我的朋友，但真理是我更伟大的朋友。”他为自己计划研究的不同主题编了索引，其中包括“空气”、“地球”、“物质”、“时间和永恒”、“灵魂”和“睡眠”。有些题目并没有正文，但他对其他题目的阐述少则几句话多则好几页，笔迹不再是工工整整而是潦草难辨。他的思想大部分来自一些塑造了现代世界观的、崭露头角的思想家们，当时人们称他们为“自然哲学家”，因为直到十九世纪，才有了“科学家”这个词汇。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料四牛顿在三一学院所做的笔记进一步证明他的确是一位未来的自然哲学家，他不相信亚里士多德及其追随者所信赖的感觉，而是对伽利略提倡的实验方法非常感兴趣。对同
35、样的现象，不同的人做出不同的反应。牛顿写道：“从事物之间相互作用归纳出来的事物的本质，必然比只凭感觉猜测出来的更准确、更合理；而我们对肉体和灵魂的解释，不应被任何一者歪曲。”从那以后，当他对自然现象提出质疑时，他就会运用这种新的科学方法以及它的基本步骤：收集资料，提出假设，进行实验来验证或推翻这个假设。甚至当学习新物理学家的著作时，牛顿也在练习自己的科学方法。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】德国历史学家H.武辛所著伊萨克牛顿介绍了伟大科学家牛顿的一生，以牛顿的科学研究为主线，展示他在科学上的成就。牛顿喜欢做实验并记笔记，大学期间抄录了大量的著作，同时进行分类整理。与此同时，牛顿还开始
36、科学探索。材料三反映了牛顿善于记笔记以及有追求真理的理想。材料四反映了牛顿推崇伽利略的实验方法，这为以后牛顿的科学研究打下基础。材料说明牛顿在从事科学研究的过程中，以超人的勤奋，全身心投入，独立钻研的态度，才取得了重要的研究成果。9牛顿与炼金术材料一尽管这看起来有点奇怪，但牛顿也许是最伟大的炼金术士。他死后，留下了几百页关于炼金术的手写资料，除此之外还有一份不寻常的文件“化学索引”。索引有879个条目，至少有5 000处涉及几十本其他炼金术书的内容。牛顿除了做了不计其数的试验，还读了几乎所有他能买到、要到或借到的炼金术书，他担心哪怕忽略了最小的线索也可能会导致找不到这种能揭示世界结构的物质。托
37、马斯佩莱博士是皇家学会的一位德高望重的成员，牛顿死后留下的论文就由他来挑选发表。他被牛顿在炼金术方面的冒险吓坏了，因此大胆地在这些资料的封皮上写下了“不适合出版”。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二现代学者们仔细地检查了这些炼金术论文后，得出了一些令人吃惊，又更让人感到欣慰的结论。很明显，牛顿并不想要寻找发家致富或长生不老的秘方，尽管他相信那种事情是有可能的。相反，他想知道一切有关物质运动的情况，下至最小的粒子，上至最大的恒星。在1666年以前他主要研究现代科学家所说的宏观世界，或者说宇宙本身。1666年之后，他的兴趣扩大到了微观世界，即由看不见的物质组成的最小世界，在微观世界的作用下自
38、然界中所有物体形成、生长、衰退，最后又还原成它们的基本成分。通过对这两个世界的研究，牛顿相信自己发现了光到底是什么，还有像重力和磁力这样的力是怎样对远距离外的物体发生作用的，以及实验中理论上的以太是怎样使作为它宿主的物体发生变化的。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】直到17世纪，化学和炼金术并没有明显的区分。牛顿有强烈的好奇心，是一个追求知识的天才，他想要了解他所碰到的一切事物。对于生活中迷惑他的每一件事，他都会产生一股冲劲去探究出道理来。如此不分青红皂白地追逐新知，或许是他涉猎炼金术的原因。牛顿是否从炼金术的研究中，获得了关键性的启示，从而发现了足以改变世界的科学成就？这个问题引起人
39、们长期争论，现在很多科学家似乎认同这一点。材料一、二就反映了这一情况。10论战材料一牛顿的第二篇论文大大得利于胡克关于光学的论文微观画集。论文是关于例如肥皂泡这种薄膜的颜色的。但胡克仅限于观察，而牛顿则运用了各种细致的方法和数学分析。这样他就能在这位愁眉不展的实验主管确立的基础之上继续下去。问题不在于剽窃，而在于牛顿不肯承认胡克的工作成果。如果牛顿称赞了胡克的成功构想，他就能很容易地取得这位渴望名誉的实验家的支持。然而，牛顿认为自己是独立工作的，这种自以为然的想法被他的传记作家弗兰克曼努埃尔称为“自认为绝对正确的魔圈”。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料二后来弗拉姆斯蒂德得知他的所有文章有
40、关上自希腊天文学家克劳狄托勒密、下讫艾德蒙哈雷记载的所有主要天体的资料并不会全部发表，牛顿只想发表自己感兴趣的内容，这时，又一场冲突开始了。牛顿对弗拉姆斯蒂德有关月球运动的资料非常感兴趣，因为这对他改进自己的重力方面的著作至关重要。这时，弗拉姆斯蒂德决定要尽一切力量阻止此书的出版。事情陷入了僵局，牛顿做了最大努力也没能使弗拉姆斯蒂德做出让步。直到1708年4月，即天体史计划出版两年之后，它第一卷的第一页才付诸印刷。美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命材料三同时，牛顿和莱布尼兹还就数学问题保持着通信。牛顿自己承认莱布尼兹对这个学科的精通给他留下了深刻的印象。但是过于自信的牛顿拒绝与他直接讨论微积分
41、问题，他深信一个二十出头的青年绝不可能达到自己这种水平。而时间却必须为牛顿停留，毕竟他是一个受主偏爱的人。此时，莱布尼兹已经通过伦敦之行了解了牛顿的秘密，他向友人奥托门克倾吐道：“牛顿先生发明了它(微积分)，而我也用另一种方法发明了它。我们两人分别做出了不同的贡献。”美盖尔E.克里斯汀森牛顿与科学革命【解读】牛顿毫无疑问是个天才，同时自视甚高。由于个性孤僻，不善交际，再加上对科学研究中首创权的重视，牛顿与其他科学家发生了长时期的论争。材料一反映了牛顿与胡克在光学领域的争论；材料二反映了牛顿和弗拉姆斯蒂德有关天体力学方面的纠纷；材料三反映了牛顿和莱布尼茨有关微积分首创权的争论。【注释】胡克（16351703）：英国实验物理学家、仪器发明家，皇家学会的实验主管。弗拉姆斯蒂德（16461719）：第一任英国皇家天文学家，由于把望远镜引入基本天体测量而创立了近代方位天文学。莱布尼兹（16461716）：德国数学家、哲学家，和牛顿同为微积分的创始人。
