牛顿的科学成就与历史地位
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牛顿的科学成就与历史地位
一、
牛顿（
Isaac
Newton
）简介：
1.
时代背景
文艺复兴运动之后思想启蒙专向定量科学时期
宗教改革进入激进的清教动时期
神创论转向自然神论时期
自然哲学向自然科学转变时期
实验哲学具体化到实验科学为主的时期
英国资产阶级革命与王朝复辟交错并终于取得胜利的时期
牛顿作为一心做学问的科学家，内心倾向请教，属于自然神论、以实验与
定量分析科学相结合治学，
以自己的实践进行了近代科学需要大综合和划
时代飞跃、
形成科学理论体系，
它适应了新兴的资
产阶级极其需要近代科
学技术的波切需要，
< br>而成为近代科学的标志性理论体系的完成者和主要
代表人物。
。
2
．
经历和著作：
世界近代科学史上最著名的英国科学家和数学家，
1664
年毕业于剑桥大学三一学院，
1668
年在剑桥大学读完研究生课程，并且继巴罗担任卢卡锡讲座教授。
1696
年出任英国造币局监督，
1699
年任造币
局局长，
1703-1727
年连五届任皇家学会主席。主要著
作有《自然哲学的数学原理》
、
《光
学
》
、
<
光学讲义
>
、
《宇宙系统》和
《月球理论》等
，
还有
《古王国变迁史》
。主要科学论
文有
“论分析”
、
“
< br>《级数和流数方法论著》
”
、
《
普通数学或数学结构与题解集》
、
《未发表的科学论文集》
（
编）
、
。
<
/p>
还有被烧掉的《化学》书手稿，留下了千百万字的手稿。他也是近代科学革命成就的集大成
者和做出决
定性贡献的伟大科学家。他生于
1643
年
1
月
4
日（公历，按古罗马的儒略历应为
1642
年
2
月
25
日）
，
死于
1727
年
3
月
20
日（公历
）
，活了
85
岁。
3.
主要贡献：牛顿在他的时代是一位几乎在各个学科
领域都作出划时代贡献的，并集大成的划时代
人物。尽管他的天才、勤奋和成就令至今的
世人所敬仰，但是它毕竟受到历史条件的局限，因而为后代
留下了广阔的发展空间。
他奠定的理论力学、微积分、物质组成思想、光学实验发现和理论
、万有引力定律、运动三定律、低速
流体阻力定律、
彗星理论、
潮汐理论和宇宙系统论等都在各学科的历史上留下了划时代的和奠基性的巨
大贡献。
4.
成就的典型评价：
爱因斯坦在
1927
年几年牛顿逝世
200
周年时写道：
“我觉得有必要在这样的时刻来纪念这位杰出的天才，在它以前
和以后都还没有人像他那样决定着西方的思想、研究和实践的方
向。
他不仅作为某些关键性的方法的发民者来说是杰出的，而且
他在善于运用他那是的经验材料上也是独特的，同时还对于史学
和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能。由于这些理由，它
应当受到我们最深挚的尊敬”
；
关于牛顿的成就与爱因斯坦的成就相比较谁大谁小的问题，
爱因斯坦
本人早就作出回答。
在他和英费尔
德合写的《物理学的进化》一
书中说：
“科学的发展不是像毁掉一座仓库，在原地建设起一
座仓库，而是
像爬上一样，沿着一个个山头向上爬，爬得高了
，看到起步小山还
在那里，只不过显得矮些罢了”
。
著名科学家卢瑟福（
Lord Ernest Rutherf
ord
）在
1931
年回答有人提问这
个问题时说过：
“
今天有一种颇为流
行的误解，即科学是由推翻以前建立的理论才
前进的，但这是极少的情况。例如，时常有人说爱因斯坦的广义
相对论推翻了牛顿在引力上的工作。真理再前进一步会变成缪误
……
就爱因斯坦的工作与牛顿的工作的关系而言，仅仅是它的
基础的一
种普遍的推广，一个伟大的真理不是可抛弃的，而是
予以修改，以
便将它放在更加广泛和稳固的基础之上
……”
。
(, Rutherord being
……
,1939,p.)
生物物理学
家、科学学奠基人和第一任世界和平理事会主席
评价牛顿的《原
理》说：
“这部书坚持阐述了物理的说理，在全部科学史上是
无与伦比的。
就数学而论，只可以拿欧几里得的《几何原本》
与它相比，就洞察
物理的卓识和对思想上的影响而论，就只有
达尔文的《物种起源》
比得上它。这本书立即成为新科学的景
点，这倒不是说他已到了作
为正统学说的源泉的底部而受到崇
敬——虽然多少有这种危险，特
别在英国——而是说书中提到
的种种方法可以作为以后推广的源泉
而受到崇敬”
。
（贝尔
纳，
《历史上的科学》
，
1981
，
p.277
）
二、
牛顿科学思想的核心是粒子和力
他的物质观是原子论，
原子论在科学上的应用就是原子—粒子—质点—质点系—重心
—
质心的概念。
它的物质组成学说是多层次的粒子
靠吸引力与排斥力的作用，而形成物质三态，以至万物。
数学上：几何点，
物理上：质点和重心，化学上：粒子的结合和分解，
天文学上：以质点代
天体。
在《原理》的未发表的《
Conclusio
》
手稿中写道：
“
Thus
almost
all
the
phenomena
of
nature
will
depend
on
the
forces
of
particles,
if
only
it
be
possible
to
prove
that forces of particles of this kind do exist.
And although the names of attractive and repulsive
forces
will displeased many, yet what
we have thus far said about these forces will
appear less contrary to reason if
one
considers that the parts of bodies certainly do
cohere, and that distant particle can be impelled
towards one
another by the same causes
by which they cohere
……
I am
far from affirming that my views are correct, and
I
acknowledge their great imperfection,
nevertheless they are simple and easy to conceive,
and same kind as the
natural philosophy
of the cosmic system which depends on the
attractive forces of greater
bodies.
”
牛顿定义力是相互作用，定义吸引力为
“
All forces attractive by
which bodies are impelled towards each other, come
together
and cohere,
whatever the causes be
”
.
可见重力只是其中的一种。排斥力与吸引力相反。
吸引力与排斥力的关系：
“
Such
operations
may
be
supposed
to
be
affected
by
double
forces
；
One
of
these
impels
adjacent
particles towards one another; this is
s but decreases more quickly with distance from
particle. The other force
is
weaker
but
decreases
more
slowly
and
so
at
greater
distances
exceeds
the
former
force;
they
drive
the
particles to cohere and
separate
……
If Nature be
simple and pretty conformable to itself, causes
will operate in
the
same
kind
of
way
in
all
phenomena,
so
that
the
motion
of
smaller
bodies
depend
upon
certain
smaller
forces just as the
motion of larger bodies are ruled by the greater
force of gravity.
”
“
在某距离上排斥力超过吸引力
”
一词
,
被前苏联的
V
avilo
B
说成预见了卢
瑟福发现的原子核及其核势
垒
”
。
三、数学上的贡献
1.
1664
年发明无限级数、收敛级数。
2.
1664-1665
年发明用极限法做曲线的切线。
3.
1665
年发明二项式定理
1665-1666
年将原子论的质点、数学和物理上的求速度和加
速度，三种
知识结合起来
,
并运用求极限法，发明了流数法或微积分，显示了学
科交叉的重要作用。也是牛顿而非纯数学家能发明微积分的原因。
△
y/
△
t=
v,
用
y
上加
“
．
”表示。
在
5
月
20<
/p>
日写的一篇论文残片中，说“用带点的字母表示流量的流数”
。<
/p>
案例：给
出一个方程，表示两个以上的动体
A
、
B
、
C
在同时间内
的径迹
x
、
y
、
z
，求它们的速度
p
、
q
、
r
？
x
A
y
B
z
C
∴
dx / dt = p, dy /dt=q, dz /
dt = r
牛顿得出：
X
3
+ 2xxy + 4xx +
7xyy
–
y
3
–
130 = 0
∴
3xxp
–
4xyp+8xp +
7yyp
–
2xxq +14xyq
–
3yyq = 0
流数的反求法就是积分，表示法是
x
上面加矩形框“□”表∫
xdx
示。<
/p>
牛顿在
1665
年中期写的《关于计算基础理论的探讨》手稿中，列出
很长的抛物线方程的积分表
和
双曲线
方程的微分表。所以微积分英发明于
1665-1666
年。正
式
总结成《论用无限相方程所作的
分
析》
”
。
1679-1671
年之交的冬天，他又写出《级数和流数方法
论著》达数十页。二文直到
1736
年才由后人正
式
发表。
三、
关于微积分发明权的争论
争论发生在牛顿与莱布尼茨之间。
莱
布尼茨在
1669
年通过与皇家学会数学家
s
的通信了解到一些内容。
1673
年莱布尼茨到伦敦访
问并当选为皇家学会会员。据
Fati
o
的
Duillier
后来给皇家学
会的信中说，
莱布尼茨通过
Collins
等多种
渠道看到牛顿的
《论分析》
并听说牛顿的流数原理，
并从皇家学会的秘书转交的牛顿的信中也得知详情。
1676
年莱布尼茨再访伦敦，对牛顿的流数有了更详细的了解，不久通过
皇家学会秘书转交的几封信有
更全面的了解。
莱布尼茨再给秘书
的信中谈到
“你们杰出的牛顿又秋季的方法，
可测量一切曲线的
面积
及旋成体的体积和球重心的方法是用渐进的方法求的
……<
/p>
,
这一方法是普遍的和方便的，值得奖励，并
且我毫不换衣者会证明他值得成为最有才气焕发的发现者”
。
莱布尼茨后来在微分和积分的表示法上采用了今天用的
dx / dx
和
∫
xdx
的表示法，更加方便。
牛顿一直在思考和修改，
莱布尼茨在
1684
和
686
年先后发表了微分
原理和积分原理。
牛顿不得不在
《原
理
》中说“
10
年前再狠说戏的几何学家莱布尼茨与我的通信中，
我通知他握有确定极大和极小、花切
线和形成类似的的操作方法，
都同样适用于有理量和无理量并在包括这句话转交的信中隐匿了这样的想
法（给出不拘
多少个流数方程、发明流数及其逆问题）
。
< br>对于这个说明，有人回答说他也落实了同类方
法，并加以通报，除去符号之外与我
的方法没什么区别
……
”
。
住在伦敦的瑞士数学家
Fatio
在
1699
年给换家学会的信写道：
“事实证据使我相信牛顿是这个计算的第
一发明者，
并
且领先了好几年，
至于第二发明竹莱布尼茨是否从另一发明者借用了任何东西，
对于那些
曾经看过牛顿一些信件和统一手稿其他抄本的人意识，我宁愿有
我自己的判断”
。
皇家学会在
1912
年起草的报告，却是牛顿起草的，报告分四部分
;I
部分是
1673-1676
< br>年
Colins
将
从牛顿那里得
到的东西放手地告诉了莱布尼茨。
II
部分是莱布尼茨第二次到
伦敦时帕尔向他指出，
那是
牛顿的方法。
III
部分是说明牛顿在
1669
年
6
月的信表明此前
5
< br>年他已有了流数法，曾将《论分析》通
知
Collins
。
IV
部分，微分发与流数法除去符号
样式外是一样的
……
问题不是哪个人发明了那个方法，
而是谁是该方法的第一发明者问题
……
结论是<
/p>
:
“
为此理由，我们评定牛顿是第一发
明者，我们的意见是持同一意见的凯尔先生绝非中商莱布尼茨
先生，特呈请学会裁断
”
。
四、物理上的贡献
1.
基本概念：质点—质点系，
质量——物质之量（
The
quantity
of
matter
is
the
measure
of
the
same,
arising
from
its
density
and bulk
conjointly
）
，
惯性——物体固有的质量
力——相互作用
:
引力和斥力
引力：重力，万有引力，磁力，电力，生物力。
斥力：排斥力，发酵力，热力。
重力—普遍的重力—万有引力
(universal
gravitation)
。
绝对运
动—相对运动，绝对时间—相对时间，绝对空间—相对空间。
牛顿的相对性与爱因斯坦的相对性的区别：在于是否承认同时性的相对性。
绝对空间：牛顿认为时间、广延（空间）和物质不是上帝创造的（
1669
）
，而是创世之前就存在的，因
而
是绝对的。见
1667-1669
年写的《论流体的重力和平衡》手稿。
提出“绝对”的定义原因有二：时
代的局限性，反对它们是上帝创造的习俗看法，当时有进步意义。
绝对时
间：
与外部任何事物无关，
平静地流动；
相对时间通常由外部或可感知的物体的流动作量度。
绝对空间：与外部任何事物无关，
总是一样的、不动的；相对空间是绝对空间的某种大小和运动作
为量度。
《原理
.
定义》
的注释中写
道：
“可能在遥远的天区，
或在它们之外或许会有某个天体是静
止的，
但从我们天区中的物体相互作用，是不可能知道的
...
...
”
。在第一卷地
XI
节中，他提出判定绝对静止的
标准是否相互吸引，
“
既不吸也不被引的是真正静止的”
，
但实际上它们是相互吸引并绕共同中心回转的。
她说这些是从纯数学上而撇开一切物理
上的考虑的。正因为从纯数学和逻辑学考虑，在《原理》第三卷
中他提出《假设
I
》
：
“宇宙中心是不
动的”
，并说
:
”
地球、太阳和一切行星的共同中心是不动的（或关心
运动的）
”
。
3.
运动三定律
:
第一定律：不等同于伽利略惯性概念的发现。
第二定律：外加力与打破惯性运动的关系。牛顿的作用是发现
f
∝
m,
f
∝
a,
所以
f=ma.
这是为发现
万有引力定律的需要才发现的，
发现于
1684
年
10
月之后，
早于万有定律发现
2-3
个月。