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系,而它们飞行所依据的基本原则,就是牛顿的运动第三定律。
在现代科技领域里,乃至我们的日常生活中,牛顿的三大运动定律,都
具有重要的意义。现代物理学与天文学工作者探求新知识所用的方法,基础
正是建立在这些定律上的。如摩天大楼的建筑、稳定桥梁的结构、机车的奔
驰、飞机的飞行、船只的行驶,甚至精确时刻的测定……这些都离不开牛顿
运动定律的实际运用。相反地,如果在工程建筑、机械制造以及应用等方面,
不仔细考虑到或运用牛顿力学的基本定律,常常会发生意想不到的事故。
但要注意的是,牛顿运动三定律中所说的“运动”,实际上只是机械运
动,并不能包括物质间的一切运动。这里所说的“不动”,也只是相对的不
动,而非绝对的不动。因为,地球整天不停地转动,所以地球上的任何东西,
当然也都跟着它不停地动;况且,世界上的一切东西,它自身就在不停地运
动、不断地发展着,是根本没有绝对不动的。这一点,牛顿当时还不可能认
识到。
牛顿在《原理》中首先列举的运动定律,是在前人积累的丰富的动力学
知识的基础上,再加牛顿本人大量的观察、实验、计算等辛勤劳动才总结出
来的。牛顿曾一再表示,运动定律的得出,在很大程度上是因为他从前人同
时代的科学家那里获得了许多有用的知识。例如,他利用了开普勒所提出的
科学知识以及数学计算,运动第一、第二定律是以伽利略提供的宝贵数据为
基础的;第三定律也从惠更斯、雷安、胡克的研究成果中获得了有益的启示。
在《原理》的第一卷中,牛顿在一开始就简明地叙述了他的“流数法”。
除去20年前他曾经写过关于“流数”的简要论文外,他还是第一次正式公开
发表他的“流数法”。
然后,他讲到了物体在某一固定点的引力作用之下的运动,像卫星沿着
围绕行星的轨道运动,或行星沿着围绕太阳的轨道运动。他说明,这些轨道
均匀椭圆形,引力和距离有着密切的关系。在这里他还引用了万有引力定律,
用以说明引力中心是在椭圆形轨道的一个焦点上。根据这些理论,研究者就
可以在任何时间推算出行星在轨道上的位置。
随后,牛顿又明确指出:所有天体都是相互吸引着的——太阳吸引着行
星,同时行星也在吸引着太阳。这显然是牛顿第三定律的运用。同时,他还
认为,太阳系中最大的行星与太阳相比,也显得微不足道,所以在说明行星
的运动时,除太阳的引力外,其他引力都可以忽略不计。这种考虑同样也可
以用于计算卫星的运动。例如:月球距其所绕转的地球附近,它只要是同地
球间发生引力作用,故太阳的引力作用基本上可不作考虑。
牛顿还进一步认识到引力理论的基础是建立在这样的一个事实上的:宇
宙间物质的每一个质点都施加引力于其他物质的第一质点之上。通过这个原
理,牛顿分析了海洋的潮汐现象。他认为,太阳与月球的引力共同促成地球
上的海洋发生定时的涨落,事实正是如此,又是牛顿奠定了潮汐理论的基础。
《原理》的第二卷讨论了物体在有阻力的介质中的运动情况。牛顿认为
这种阻力——例如空气的阻力——与物体运动的速度是成正比例的。由此可
见,牛顿在飞机问世的两个多世纪以前,就预见到了飞机设计师们必须处理
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的一个重要问题,即飞行器的形状与空气阻力的关系。
在这一卷里,牛顿还讨论了摆动、流体的波动和光学等方面的一些问题。
他还应用了波的运动学说解释了声波在大气中的传播。
在《原理》的第三卷中,牛顿运用了他的万有引力定律及三项运动定律,
把太阳系的各种引力现象做了杰出的总结。他用种种证明,出色地证实了木
星、土星、地球等行星与太阳的引力,同时为他的平方反比定律提供了有力
证据。最后他叙述了与他的荣誉密切相关的万有引力定律:宇宙间任意两个
物体都是相互吸引的,引力的大小与两物体的质量乘积成正比,并且与它们
距离的平方成反比”。
牛顿更进一步阐明,由于在宇宙空间运行的行星没有遇到什么阻力,所
以它的运动将永远保持下去。而且每颗行星都是以太阳为焦点在椭圆形的轨
道上围绕太阳运转。进而他总结道:一切天体必须遵循万有引力定律,因此
两个互相吸引的天体,应在相似的运行轨道上围绕公共重心互相绕行。
现在我们知道,牛顿为什么称它为万有引力定律,他的意思就在于“万
有”这两个字上。因为这一吸引力适用于任何地方的任何物体。它不仅适用
于天体,并且也能说明为何水是从高处流向低处,为何篮球入筐后会重新落
到地面上,为何长时间没人进入的房间会落满了灰尘等等现象。
牛顿在《原理》的结尾处有一章专门谈论了慧星这种特殊的天体。在牛
顿之前,科学家们都认为这种拖着长尾巴不时出现的神秘宇宙来客是无法解
释的。但牛顿认为:慧星也同样要遵从万有引力定律,它们也是在太阳引力
下运动着的物体,只不过它们的运动轨道是很扁的椭圆形。哈雷便根据牛顿
的理论和引力定律计算了在1682年出现的一颗大慧星的轨道数据,并且发现
这颗慧星的轨道与1607年及以前的1531年所观测记录的两颗慧星的情况极
为相似。这三颗慧星出现的时间都相差76年,所以哈雷最后认定这三次记录
的实际上是同一颗慧星,它是按76年一周期的频率绕太阳运转,所以也是
76年“拜访”地球一次。于是他预言:这颗慧星将于1758年再度出现。在
哈雷去世的17年后,他的预言应验了,这颗慧星再度“来访”地球。所以,
这颗慧星就以哈雷的姓氏命名为:哈雷慧星。以后它又在1835年、1910年、
1986年三次回到地球身旁。
以上就是《原理》一书的梗概。在牛顿以后,人类在自然科学方面的伟
大成果层出不穷,但追本溯源,许多都与这本非凡的著作有直接的联系。如
在1846年发现海王星之前,它的轨道就已经依据万有引力定律计算出来了,
然后才在实测中发现了它。现代计算人造卫星的轨道,当然更离不开牛顿的
伟大成果。
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六、天才在于勤奋
牛顿之所以在科学方面取得了如此非凡的成就,除去他自身的素质外,
更重要的是他的勤奋、他的忘我工作态度。
有人曾经问过牛顿:“您是如何作出那么多的发明发现呢?”牛顿回答
道:“我并没有什么特殊的方法,只不过对于每一件我所感兴趣的事情,总
是要花长时间地仔细考虑罢了。”
流传至今的牛顿以忘我精神从事科学活动的故事,多得不胜枚举。
据说有一天,牛顿的一位好朋友来看他。此时他正在做实验,就请朋友
稍等片刻。这位朋友经常来牛顿这里,相当随便,等到吃午饭的时间还不见
牛顿从实验室中出来,就把餐桌上的一盘鸡吃掉了,剩下骨头,照样把盘子
盖好。好容易牛顿做完了实验,他一面向朋友道歉,一面揭开盘子上的盖子
——咦!怎么会是鸡骨头了?牛顿不好意思地对朋友笑了:“哈哈,我还以
为咱们还没有吃午饭,原来早就吃过了,你瞅我这脑筋。”
这种废寝忘食的事当然并不都发生在客人来访的时候。一天早晨,牛顿
为一个复杂的问题陷入了深思,佣人拿来一只锅,准备替他煮两只鸡蛋当早
餐。牛顿怕打扰了自己的思路,就让佣人把锅放在炉子上,待会儿自己煮。
过了一会,佣人进来准备收拾餐具,却发现牛顿还在专心致志的思考着,锅
里的水早已沸滚,而两只鸡蛋却依旧还在桌上,她揭开锅盖一看,天哪,在
锅里的竟是牛顿的一块怀表!
牛顿解决科学问题的才能是那样超群绝伦,但处理起身边的琐事却往往
判若两人。有一个故事说:他家里养过两只猫,一大一小,为了省去替它们
开门的麻烦,牛顿特意在门下开了一大一小两个洞。当有人问他为什么要这
样做时,牛顿理所当然地说:“大猫走大洞、小猫走小洞,这不是明摆着的
事吗?”当那人告诉他小猫也可以走大洞时,牛顿这才恍然大悟,连声称赞
此人真是聪明绝顶。
牛顿在衣着方面也从不讲究,可以说已经到了不修边幅的程度:袜子总
是拖在脚后跟上,自己似乎不知道,也懒得去管。如果有人请他去作客,家
里人一定得预先为他修饰一番,否则他会不管当时是什么样子都会出门去作
客;而根据英国上流社会的社交标准,他的模样往往是不能登大雅之堂的。
牛顿终身没有结婚。据说他曾经交过女朋友,但他第一次与女朋友见面
却大谈科学实验见解。女方不知所云,终于不欢而散。或许是牛顿不愿再费
这样花前月下的时间,以后便再也没有谈过恋爱。
牛顿在生活上不拘小节,固然不足效仿,但他为科学而献身的精神,却
着实令人钦佩。
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七、硬币的保护人
《原理》出版后不久,哈雷就发现牛顿已经疲惫不堪了。他劝牛顿应该
暂时