1.3　17世纪

简 史

（1）笛卡儿

☆笛卡儿在几何学和哲学上的成就大大超过了他在物理学上的成就。他是一个哲学家，从有限的实验或经验中自信地推导出大量的推论，并且他排斥在他的最终结论和实际的事实之间可能存在不符的任何质疑。

☆笛卡儿认为功效与速度成正比。

☆笛卡儿的旋涡说：“所有的空间都充满了流体或以太，它们的各个部分相互作用并产生圆周运动。这样一来，这种流体形成了许多有不同大小、速度和密度的旋涡。在太阳周围有一个巨大的旋涡，它的回旋带动了地球和其他行星。较慢的并较少受到离心力作用的较密的物体被迫朝向太阳这个旋涡中心。每个行星都处在产生通常的重力现象的另一个旋涡中心。更小的旋涡使物体的各部分之间产生内聚力。”

（2）牛顿

☆牛顿第一次关于万有引力的研究是在1665年或1666年进行的，但奇怪的是，直到约20年以后他才发表他的引力定律。

☆牛顿在一封给本特利的信中写道：“就物质来说，重力应当是生来就有的、固有的和必不可少的，因此，一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上而不需要任何其他的介质，它们的作用和力可以通过真空从一个物体传递到另一个物体，这种观点在我看来非常的荒谬，以致我认为没有一个在哲学上有足够思考力的人会同意这种观点。”

☆牛顿在1679年评论中说：“由于地球的周日运动，落体应当偏东而不会像通俗的观点所认为的那样是偏西。”

（3）帕斯卡

☆帕斯卡从对关于液压的研究开始就受到人们的赞美，不仅因为他是一个早熟的数学家和《与乡人之书》的作者，而且还因为他是一个物理学家。

☆帕斯卡在《论液体的平衡》一文中阐明了著名的“帕斯卡定律”，即施加给液体的压强不减弱地穿透到各个方向，并以相同的压强作用在和力成直角方向的所有相等的表面上。

（4）托里拆利

☆1643年托里拆利设计了以垂直的水银柱测定真空阻力的方案，他预测水银柱的长约相当于水柱长的1/14。

☆托里拆利在1644年给他在罗马的朋友M.A.里奇的两封信中描述了他的实验，他说：“我的研究目的不是单纯地产生真空，而是要制造一种仪器，用它来证明空气的变异，时而较重和稠密，时而较轻和稀薄。”

（5）盖里克

☆盖里克在1663年就完成了他的著作《论真空》的手稿，但直到1672年才出版。

☆盖里克称量容器的实验，即先是当容器充满空气时称量一下，然后抽空了再进行称量。

（6）玻义耳

☆在英国，玻义耳最先研究了空气的力学。

☆1654年玻义耳在牛津就职，并且聘请胡克作为他的化学助手。在读到盖里克的空气泵的报道以后，他让胡克做了一个稍微精致的气泵，这是在1659年完成的。早在1660年，玻义耳就发表了他的《涉及空气弹性及其效果的新物理——力学实验》。

☆1666年，玻义耳发表了他的《流体静力学中的佯谬》，驳斥了关于轻的液体对重的液体不产生压力的学说。

导 图

人物小史与趣事

牛顿

牛顿（Isaac Newton，1643—1727），物理学家、数学家，被誉为“近代物理学之父”。提出万有引力定律、牛顿运动定律；与莱布尼茨共同发明微积分；发明反射式望远镜并发现光的色散原理。

☆童年牛顿

1642年的圣诞节前夜，在英格兰林肯郡沃尔斯索浦的一个农民家庭里，牛顿诞生了。牛顿是一个早产儿，出生时只有3磅重。接生婆和他的双亲都担心他能否活下来。谁也没有料到这样一个早产儿会成为一位震古烁今的科学巨人，并且竟活到了八十多岁的高龄。

牛顿出生前三个月父亲便去世了。在他两岁时，母亲改嫁。从此牛顿便由外祖母抚养。11岁时，牛顿才回到了母亲身边。少年时的牛顿并不是神童，他资质平常，成绩一般，但他喜欢读书，喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物，并从中受到启发，自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意，如风车、木钟、折叠式提灯等。传说小牛顿把风车的机械原理摸透后，自己制造了一架磨坊的模型，他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上，然后在轮子的前面放上了一粒玉米，刚好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不断地跑动，于是轮子不停地转动。

牛顿12岁在格兰瑟姆中学读书时，曾经寄宿在一位药剂师家里，使他受到了化学试验的熏陶。后来迫于生活，母亲让牛顿停学在家务农。但牛顿一有机会便埋首书卷，以致经常忘了干活。每次，母亲叫他与佣人一同去市场熟悉做交易的生意经时，他便恳求佣人一个人去，自己则躲在树丛后看书。有一次，牛顿的舅父起了疑心，就跟踪牛顿，发现他的外甥正在聚精会神地钻研一个数学问题。牛顿的好学精神感动了舅父，于是舅父劝服了母亲让牛顿复学，并鼓励牛顿上大学读书。牛顿又重新回到了学校，如饥似渴地汲取书本上的“营养”。

☆求学岁月

牛顿19岁时进入剑桥大学，成为三一学院的减费生，靠为学院做杂务的收入支付学费。在这里，牛顿开始接触到大量自然科学著作，经常参加学院举办的各类讲座，包括地理、物理、天文和数学。牛顿的第一任教授伊萨克·巴罗是个博学多才的学者。这位学者独具慧眼，看出了牛顿具有深邃的观察力、敏锐的理解力。于是将自己的数学知识，包括计算曲线图形面积的方法，全部传授给牛顿，并把牛顿引向了近代自然科学的研究领域。

后来，牛顿在回忆时说道：“巴罗博士当时讲授关于运动学的课程，也许正是这些课程促使我去研究这方面的问题。”

当时，牛顿在数学方面很大程度是依靠自学。他学习了欧几里得的《几何原本》、笛卡儿的《几何学》、沃利斯的《无穷算术》、巴罗的《数学讲义》及韦达等许多数学家的著作。其中，对牛顿具有决定性影响的要数笛卡儿的《几何学》和沃利斯的《无穷算术》，它们将牛顿迅速引导到当时数学最前沿——解析几何与微积分。1664年，牛顿被选为巴罗的助手，1665年，剑桥大学评议会通过了授予牛顿大学学士学位的决定。

正当牛顿准备留校继续深造时，严重的鼠疫席卷了英国，剑桥大学因此而关闭，牛顿离校返乡。家乡安静的环境使得他的思想“展翅飞翔”，以整个宇宙作为其藩篱。这短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月，他的三大成就：微积分、万有引力、光学分析的思想就是在这时孕育成形的。可以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。

☆怪异的牛顿

1667年复活节后不久，牛顿返回到剑桥大学，10月被选为三一学院初级院委，翌年获得硕士学位，同时成为高级院委。1669年，巴罗为了提携牛顿而辞去了教授之职，26岁的牛顿晋升为数学教授。巴罗让贤，在科学史上一直被传为佳话。

牛顿并不善于教学，他在讲授新近发现的微积分时，学生都接受不了，但在解决疑难问题方面他却能力超强。他曾经高价买下了一个棱镜，并把它作为科学研究的工具，用它试验了白光分解为的有颜色的光。开始，他并不愿意发表他的观察所得，他的发现都只是一种个人的消遣，为的是在寂静的书斋中解闷。他独自遨游于自己所创造的超级世界里。后来，在好友哈雷的竭力劝说下，牛顿才勉强同意出版他的手稿，才有了划时代巨著《自然哲学的数学原理》的问世。

作为大学教授，牛顿常常忙得不修边幅。有一次，他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海里只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误地把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。

牛顿从容不迫地观察日常生活中的小事，得出了科学史上一个个重要的发现。他马虎拖沓，曾经闹过许多的笑话。一次，他边读书边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡蛋时，却发现锅里是一只怀表。还有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准备好时，牛顿突然想到一个问题，便独自进了内室，朋友等了他好久还是不见他出来，于是朋友就先吃起来了，之后桌上留了一些剩菜和鸡骨头，朋友不告而别了。等牛顿想起朋友，出来后发现了盘子里的骨头，以为自己已经吃过了，便转身又进了内室，继续研究他的问题。

☆苹果落地

在牛顿的全部科学贡献中，数学成就占有突出的地位。牛顿发现万有引力定律是他在自然科学中最辉煌的成就。那时在假期里，牛顿常常来到母亲的家中，在花园里小坐片刻。有一次，像以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来。一个苹果的偶然落地，却是人类思想史的一个转折点，它使那个坐在花园里的牛顿的头脑开了窍，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢？牛顿思索着。终于，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。他认为太阳吸引行星，行星吸引行星，以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力，还用微积分证明了开普勒定律中太阳对行星的作用力是吸引力，证明了任何一曲线运动的质点，若是半径指向静止或匀速直线运动的点，且绕此点扫过与试件成正比的面积，则此质点必受指向该点的向心力的作用，如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比，则向心力与半径的平方成反比。牛顿还通过大量实验，证明了任何两物体之间都存在着吸引力，总结出了万有引力定律。在同一时期，雷恩、哈雷和胡克等科学家都在探索天体运动的奥秘，其中以胡克较为突出，他很早就意识到引力的平方反比定律，但他缺乏像牛顿那样的数学才能，没得出定量的表示。

牛顿运动三定律是构成经典力学的理论基础。这些定律是在大量实验基础上总结出来的，是解决机械运动问题的基本理论依据。

1687年，牛顿出版了代表作《自然哲学的数学原理》，这是一部力学的经典著作。牛顿在这部书中，从力学的基本概念（质量、动量、惯性、力）和基本定律（运动三定律）出发，运用他所发明的微积分这一数学工具，建立了经典力学的完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。

在光学方面，牛顿也取得了巨大成果。他利用棱镜进行试验把白光分解为有颜色的光，最早发现了白光的组成。他对各色光的折射率进行了精确分析，说明了色散现象的本质。他指出，由于对不同颜色的光的折射率和反射率不同，才造成物体颜色的差别，从而揭开了颜色之谜。牛顿还提出了光的“微粒说”，认为光是微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后来惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。此外，他还制作了牛顿色盘和反射式望远镜等多种光学仪器。

牛顿的研究领域非常广泛，他在几乎每个他所涉足的科学领域都做出了重要的成绩。

☆终身未婚之谜

牛顿少年时代在一首诗里表白自己的远大抱负：

世俗的冠冕啊，我鄙视它如同脚下的尘土，

它是沉重的，而最佳也只是一场空虚；

可是现在我愉快地欢迎这顶荆棘冠冕，

尽管刺得人痛，但味道主要的是甜；

我看见光荣之冠在我的面前呈现，

它充满幸福，永恒无边。

可以说，每一位伟大的科学家，都是富有激情、富有理想的诗人，但牛顿是一个追求用科学中的光线谱来解释他的理想的特殊诗人。他让他的思想展翅飞翔，以整个宇宙作为天地。在他的整个心田里，填满了自然、宇宙。也许这是他终身未娶的根本原因。

不过，牛顿并没有完全与爱情绝缘。牛顿23岁在剑桥大学求学时，由于剑桥发生了瘟疫，学校放假。牛顿回到乡下，住在舅父家里。在那里，他第一次爱上了美丽、聪明、好学、富有思想的表妹。表妹也很喜欢这个学识渊博、卓见非凡的大学生。他们常常一起散步。牛顿喜欢即兴发表长篇讲话，他的讲话内容又多是他正在学习和研究的问题。表妹虽听不懂，但她还是耐心地听，似乎觉得很有趣。牛顿在心里想：“这样一个可爱的女子，对于我所讲的觉得这样有味，我一定很不错。当然，她的脑筋也一定很好，是个不平凡的女子。如果能得到她的帮助，解决我的许多困难问题，与我共同工作，那该多好啊！”

但是牛顿生性腼腆，并未及时向表妹表白心中的爱情。等他回到剑桥大学后，又聚精会神地沉浸到科学研究中去了。他早已忘记了远方的乡村还有一位美丽的少女在等着他。他对个人生活一直不予重视，而她的表妹却误以为牛顿对她冷淡，便与别人结婚了。牛顿因醉心于科学研究而耽误了一次爱情的大好时机。

☆牛顿晚年

随着科学声誉的提高，牛顿的政治地位也得到了提升。1689年，他当选为国会中的大学代表。作为国会议员，牛顿逐渐开始疏远给他带来巨大成就的科学。他不时表示出对以他为代表的领域的厌恶。同时，他的大量时间花费在了和同时代的著名科学家如胡克、莱布尼兹等进行科学优先权的争论上。

晚年的牛顿开始致力于对神学的研究，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时，竟提出了“神的第一推动力”的谬论。他说“上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。

1727年3月20日，伟大艾萨克·牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。