大學物理教授未婚

① 卡文迪許的生平與貢獻

亨利·卡文迪許(HenryCavendish，1731.10.10~1810.3.10)英國化學家、物理學家。公元1731年10月10日生於法國尼斯。1742-1748年他在倫敦附近的海克納學校讀書。1749-1753年期間在劍橋彼得豪斯學院求學。在倫敦定居後，卡文迪許在他父親的實驗室中當助手，做了大量的電學、化學研究工作。他的實驗研究持續達50年之久。1760年卡文迪許被選為倫敦皇家學會成員，1803年又被選為法國研究院的18名外籍會員之一。
公元1810年3月10日，卡文迪許在倫敦逝世，終身未婚。

主要成就
化學領域
1784年左右，卡文迪許研究了空氣的組成，發現普通空氣中氮氣佔五分之四，氧氣佔五分之一。他確定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。他還發現了硝酸。

物理領域
卡文迪許生前在物理學方面發表的論文為數極少，一直到麥克斯韋審閱整理並出版了他的手稿後，人們才知道他在電學方面作出了很多重要發現。他發現一對電荷間的作用力跟它們之間的距離平方成反比，這就是後來庫侖導出的庫侖定律內容的一部分;他提出每個帶電體的周圍有"電氣"，與電場理論很接近;卡文迪許演示了電容器的電容與插入平板中的物質有關;電勢的概念也是卡文迪許首先提出的，這對靜電理論的發展起了重要作用;他還提出了導體上的電勢與通過電流成正比的關系。
在牛頓發現萬有引力定律之後，他是測出引力常量的科學家。

推算地球密度
卡文迪許測量地球的密度是從求牛頓的萬有引力定律中的常數著手，再推算出地球密度。他的指導思想極其簡單，用兩個大鉛球使它們接近兩個小球。從懸掛小球的金屬絲的扭轉角度，測出這些球之間的相互引力。根據萬有引力定律，可求出常數G。根據卡文迪許的多次實驗，測算出地球的平均密度是水密度的5.481倍(21世紀數值為5.517，誤差為0.65253%左右)，並確定了萬有引力常數(他測得的引力常數G是(6.754±0.041)×10N·m²/kg²，這個值同現代值(6.6732±0.0031×10N·m²/kg²，相差無幾，計算出了地球的質量。被譽為第一個稱量地球的人。
後人關於卡文迪許測量G的歷史爭議
值得一提的是，以上關於卡文迪許從萬有引力常數推算地球密度的說法是完全錯誤的，卡文迪許是利用小球的與地球的比例關系來測量出的地球質量，從而得出地球平均密度，並沒有用到G的值，也沒有在任何地方間接或直接出現過萬有引力常數G。這也是普遍存在於我國物理教學中的謬誤，之所以保留上面錯誤的描述是為了表示對前詞條編輯者只顧著復制而不自己考證資料的鄙視。事實上，從科學史的角度看，卡文迪許可以說並沒有得到過G。在卡文迪許活著的時候，對牛頓重力方程的表述中仍沒有G的存在，那時的天文學家更關心各個星體的密度，只要知道了地球的密度那麼其他星體的密度也都好算了，所以卡文迪許他老人家作為物理學的潮人，自然義無反顧地要引領時尚。他的論文題目正叫做"測量地球密度的實驗"(Experimentsto determine the density of the earth)。
G的第一次出現在論文中是在1873，在卡文迪許發表論文的75年後，被Cornu,A. and Baille,J. B的論文《Mutual determination of theconstant of attraction and the mean density of the earth》提到。而G正式進入人們的視野要到1894年，一個叫偉農.波義思(C.Vernon Boys)的人在英國皇家學會(The Royal Society)提出了重力場數G的表述後才為人熟知。在卡文迪許之後，後人也依據他的實驗結果整理出了G=3*g/4piRp，其中g是地球重力加速度，R是地球半徑。無疑的，卡文迪許的實驗是離G只有那麼一點點距離了，後人可以直接從他的結果中整理出G來，因為這個而讓他與G的決定無緣實在是太可惜了，所以物理學家感情上更認同卡文迪許，萬一以後他們哪個人遇到了類似的事情，差一點點不被算作是第一原創者那肯定死不瞑目啊。於是他們為卡文迪許辯護稱，在卡文迪許所在的年代，科學家們對重力與質量仍使用一樣的單位，而且從天文學來說，式子中出現的幾何常數可以被視作是已被定義的高斯重力常數，地球半徑也是知道的，所以可以一般性地可以說在天文單位上，G便是地球密度的倒數，卡文迪許測到了地球密度，自然也算得到G了。
西方的物理課程中大多會提一下歷史。但在我國的物理教學中慣例會講卡文迪許測量G在先，再根據G來得出地球密度，這並不符合史實，從而歷年考試下也多出了不少考場冤魂。

生平
出生與學習
在18世紀期間，英國的一些化學家，如布拉克以及普利斯特里等人，都是出身於中產階級的學者。
亨利.卡文迪許生於1731年10月10日，那時他的母親正在法國休養，所以他生在法國南部。卡文迪許的祖父和外祖父分別是德文郡公爵和肯特公爵。他是在牛頓病故四年後出生的，他讀過牛頓的全部著作，一生最佩服牛頓的學識和為人。
卡文迪許的父親是當時有名的學者，所以，卡文迪許從小就得到父親的鼓勵，希望他在學術上能有所成就。11歲的時候，他被送到當時著名的貴族中學學習了8年之久。到1749年，他18歲，進了劍橋大學，
一直到1753年，他22歲，因為不贊成劍橋大學的宗教考試，所以沒取得任何學位，他離開了大學。
卡文迪許離開劍橋大學後，就跟父親旁聽英國皇家學會的會議，每個星期四中午，參加學會的聚餐。到了1760年他被選為皇家學會會員。這一頭銜的榮耀持續。在英國，凡是有FSR(皇家學會會員）頭銜的人，依然受到人們的尊敬。
在18世紀時，還沒有公家辦的實驗室。所以卡文迪許在自己家裡裝備了一座規模相當大的實驗室，他終身在自己家裡做實驗工作。
他一生沒有結婚，過著獨身生活。曾經有人說：「沒有一個活到80歲的人，一生講的話像卡文迪許那樣少的了。」
在一本《化學史》書上，曾舉出卡文迪許最怕交際的一件事例。有一天一位英國科學家攜同一位奧地利科學家到班克斯爵士的家裡做客，正巧卡文迪許也在座。班克斯便介紹他們相識。在互相介紹時，班克斯曾對這位遠客盛贊卡文迪許，而這位初見面的客人更是對卡文迪許說出非常敬仰他的話，並說這次來倫敦的最大收獲，就是專程拜訪這位名震一時的大科學家。卡文迪許聽到這話，起初大為忸怩，最後完全手足無措，便從人叢中沖出了室外，坐上他的馬車趕回家去了。從這段記載可以看出卡文迪許為人性格孤僻。

學術貢獻
卡文迪許公開發表的論文並不多，他沒有寫過一本書，在長長的50年中，發表的論文也只有18篇。除了一篇在1771年發表的論文是理論性的以外，其餘的論文內容都是實驗性和觀察性的，大部分是關於水槽化學方面的，先後發表在1766年到1788年的英國皇家學會的期刊上。
卡文迪什在1766年發表了他的第一篇論文《論人工空氣》，「人工空氣」一詞為波義耳首創，用來指存在在某種物質中，通過化學反應可以釋放出來的氣體。如普利斯特里通過碳酸鹽與酸反應生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在嚴格保持溫度和壓強條件的前提下，對當時已知的各種氣體的物理性質，特別是密度進行了嚴謹而細致的研究，並首先研究出二氧化碳、氫氣等氣體的收集方法，較系統地研究了二氧化碳和氫氣的性質。這篇文章使他獲得英國皇家學會的科普利獎章。
1767年，卡文迪許發表的論文介紹了他，關於水和固定空氣(二氧化碳)的實驗。
1773年，卡文迪許用兩個同心金屬球殼做實驗，發現了電荷間的作用規律，從而驗證了自己的之前的結論——卡文迪許之前曾圓滿解釋了電荷在導體表面分布並嚴格遵守距離平方反比律的原因。
1781年，卡文迪什採用鐵與稀硫酸反應而首先製得「可燃空氣」（即氫氣），隨後測定了它的密度，研究了它的性質。他測出氫氣和氧氣化合成水時的體積之比為2.02：1，從而證明了水不是元素而是化合物。
在1783年他研究了空氣的組成成分，做了很多試驗，發表的論文的題目是「空氣試驗」。也就是這個時候，他發現水是由氫和氧兩種元素組成的。他還發現了硝酸。
還有一部分是關於液態物質凝固點的研究，發表於1783年到1788年。
1797年，卡文迪許最後的一項研究十分著名的，是關於地球平均密度的問題。他在改良約翰·米切爾設計之後，通過實驗測量了地球平均密度。卡文迪許提出的數字是5.448克/厘米，公認的是5.48克/厘米。這說明當時試驗已經相當准確。這項實驗同時實驗驗證了牛頓的萬有引力定律，確定了引力常數，被後人稱為「卡文迪許實驗」。
卡文迪許在熱學理論、計溫學、氣象學、大地磁學等方面都有研究。1798年他完成最後的實驗時，已年近七十。
在他逝世以後，人們發現他有大量文稿，一直藏著未經公開發表。這部分未發表的論文相當多，電學部分由19世紀的大物理學家馬克斯維爾門教授整理後在1879年出版，化學和力學部分是由愛德華.普索於1921年主編出版的。

② 陳岱孫、金岳霖和葉企孫這3位清華教授為何終身不娶

學者對事業執著，對愛情也一樣，一旦心中有了一個念念不忘的人，其她的人誰都無法走進自己的心裡。沒辦法自己放不過自己。又或是他們活的理性明白，學者對事業執著，獨身獨出人生高度。他們，不只為愛情，也為理想，為了中華民族的偉大復興，做出了自己的貢獻。

③ 有沒有簡介牛頓的生平事跡

簡介
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艾薩克·牛頓(1643年1月4日~1727年3月31日)爵士，英國皇家學會會員，（SirIsaacNewtonFRS)是一位英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家和煉金術士。他在1687年發表的論文《自然哲學的數學原理》里，對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了此後三個世紀里物理世界的科學觀點，並成為了現代工程學的基礎。他通過論證開普勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性，展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律；從而消除了對太陽中心說的最後一絲疑慮，並推動了科學革命。在力學上，牛頓闡明了動量和角動量守恆的原理。在光學上，他發明了反射式望遠鏡，並基於對三棱鏡將白光發散成可見光譜的觀
察，發展出了顏色的理論。他還系統地表述了冷卻定律，並研究了音速。在數學上，牛頓與戈特弗里德•萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理，提出了「牛頓法」以趨近函數的零點，並為冪級數的研究作出了貢獻。在2005年，皇家學會進行了一場「誰是科學史上最有影響力的人」的民意調查中，牛頓被認為比阿爾伯特·愛因斯坦更具影響力。

光學

從1670年到1672年，牛頓負責講授光學。在此期間，他研究了光的折射，表明棱鏡可以將白光發散為彩色光譜，而透鏡和第二個棱鏡可以將彩色光譜重組為白光。

他還通過分離出單色的光束，並將其照射到不同的物體上的實驗，發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到，無論是反射、散射或發射，色光都會保持同樣的顏色。因此，我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果，而不是物體產生顏色的結果。

從這項工作中，他得出了如下結論：任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響，並因此發明了反射式望遠鏡（現稱作牛頓望遠鏡）來迴避這個問題。他自己打磨鏡片，使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質，製造出了優於折光式望遠鏡的儀器，而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年，他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記，這在後來擴大為《光學》（Opticks）一書。但當羅伯特•胡克批評了牛頓的某些觀點後，牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人，這一直持續到胡克去世。

牛頓認為光是由粒子或微粒組成的，並會因加速通過光密介質而折射，但他也不得不將它們與波聯系起來，以解釋光的衍射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋衍射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。

在1675年的著作《解釋光屬性的解說》（Hypothesis Explaining the Properties of Light）中，牛頓假定了以太的存在，認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學家亨利•莫爾（Henry More）接觸後重新燃起了對煉金術的興趣，並改用源於漢密斯神智學（Hermeticism）中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋，替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓煉金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說：「牛頓不是理性時代的第一人，他是最後的一位煉金術士。」但牛頓對煉金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關，而且在那個時代煉金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用，他可能也不會發展出他的引力理論。 （參見艾薩克·牛頓的神秘學研究）

1704年，牛頓著成《光學》，其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的，而普通物質是由較粗微粒組成，並推測如果通過某種煉金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎？物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力（Activity）嗎？牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機。

力學和引力

1679年，牛頓重新回到力學的研究中：引力及其對行星軌道的作用、開普勒的行星運動定律、與胡克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》（1684年）一書中，該書中包含有初步的、後來在《原理》中形成的運動定律。

《自然哲學的數學原理》（現常簡稱作《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下出版於1687年7月5日。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」（沉重）來為現今的引力（gravity）命名，並定義了萬有引力定律。在這本書中，他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。

由於《原理》的成就，牛頓得到了國際性的認可，並為他贏得了一大群支持者：牛頓與其中的瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒建立了非常親密的關系，直到1693年他們的友誼破裂。這場友誼的結束讓牛頓患上了神經衰弱。

晚年生活
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由於受時代的限制，牛頓基本上是一個形而上學的機械唯物主義者。他認為運動只是機械力學的運動，是空間位置的變化；宇宙和太陽一樣是沒有發展變化的；靠了萬有引力的作用，恆星永遠在一個固定不變的位置上……
隨著科學聲譽的提高，牛頓的政治地位也得到了提升。1689年，他被當選為國會中的大學代表。作為國會議員，牛頓逐漸開始疏遠給他帶來巨大成就的科學。他不時表示出對以他為代表的領域的厭惡。同時，他的大量的時間花費在了和同時代的著名科學家如胡克、萊布尼茲等進行科學優先權的爭論上。
晚年的牛頓在倫敦過著堂皇的生活，1705年他被安妮女王封為貴族。此時的牛頓非常富有，被普遍認為是生存著的最偉大的科學家。他擔任英國皇家學會會長，在他任職的二十四年時間里，他以鐵拳統治著學會。沒有他的同意，任何人都不能被選舉。
晚年的牛頓開始致力於對神學的研究，他否定哲學的指導作用，虔誠地相信上帝，埋頭於寫以神學為題材的著作。當他遇到難以解釋的天體運動時，竟提出了「神的第一推動力」的謬論。他說「上帝統治萬物，我們是他的僕人而敬畏他、崇拜他」。
1727年3月20日，偉大艾薩克·牛頓逝世。同其他很多傑出的英國人一樣，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上鐫刻著：
讓人們歡呼這樣一位多麼偉大的
人類榮耀曾經在世界上存在。
大事年表
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1643年1月4日（舊歷1642年12月25日）出生於林肯郡烏爾索普。

1655年 12歲 入格蘭瑟姆中學學習。

1661年 19歲 6月15日入劍橋大學三一學院學習。

1665年 24歲 發現二項式定理。

1665年～1666年 24歲 因鼠疫流行回到家鄉，對光學、力學、數學有多方面的研究和突破。

1668年 26歲 製成反射式望遠鏡。

1669年 27歲 著《論用無限項方程所作的分析》，任盧卡斯講座教授。

1671年 29歲 著《級數和流數方法論著》。

1672年 29歲 1月當選為皇家學會會員，宣讀《關於光和顏色的理論》的論文。

1684年 42歲 會見哈雷，證明引力平方反比定律。

1686年～1687年 44歲 著《自然哲學的數學原理》。

1689年 47歲 母親去世

1700年 57歲 發明六分儀。

1727年3月20日 80歲 逝世。

牛頓的成就
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力學方面的貢獻

牛頓在伽利略等人工作的基礎上進行深入研究，總結出了物體運動的三個基本定律（牛頓三定律）：①任何物體在不受外力或所受外力的合力為零時，保持原有的運動狀態不變，即原來靜止的繼續靜止，原來運動的繼續作勻速直線運動。②任何物體在外力作用下，運動狀態發生改變，其動量隨時間的變化率與所受的合外力成正比。通常可表述為：物體的加速度與所受的合外力成正比，與物體的質量成反比，加速度的方向與合外力的方向一致。③當物體甲給物體乙一個作用力時，物體乙必然同時給物體甲一個反作用力，作用力和反作用力大小相等，方向相反，而且在同一直線上。這三個非常簡單的物體運動定律，為力學奠定了堅實的基礎，並對其他學科的發展產生了巨大影響。第一定律的內容伽利略曾提出過，後來R.笛卡兒作過形式上的改進，伽利略也曾非正式地提到第二定律的內容。第三定律的內容則是牛頓在總結C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的結果之後得出的。

牛頓是萬有引力定律的發現者。他在1665～1666年開始考慮這個問題。1679年，R·胡克在寫給他的信中提出，引力應與距離平方成反比，地球高處拋體的軌道為橢圓，假設地球有縫，拋體將回到原處，而不是像牛頓所設想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信，但採用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上，他用數學方法導出了萬有引力定律。

牛頓把地球上物體的力學和天體力學統一到一個基本的力學體系中，創立了經典力學理論體系。正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規律，實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。

牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比。他說：流體部分之間由於缺乏潤滑性而引起的阻力，如果其他都相同，與流體部分之間分離速度成比例。現在把符合這一規律的流體稱為牛頓流體，其中包括最常見的水和空氣，不符合這一規律的稱為非牛頓流體。

在給出平板在氣流中所受阻力時，牛頓對氣體採用粒子模型，得到阻力與攻角正弦平方成正比的結論。這個結論一般地說並不正確，但由於牛頓的權威地位，後人曾長期奉為信條。20世紀，T·卡門在總結空氣動力學的發展時曾風趣地說，牛頓使飛機晚一個世紀上天。

關於聲的速度，牛頓正確地指出，聲速與大氣壓力平方根成正比，與密度平方根成反比。但由於他把聲傳播當作等溫過程，結果與實際不符，後來P.-S.拉普拉斯從絕熱過程考慮，修正了牛頓的聲速公式。

數學方面的貢獻

17世紀以來，原有的幾何和代數已難以解決當時生產和自然科學所提出的許多新問題，例如：如何求出物體的瞬時速度與加速度？如何求曲線的切線及曲線長度（行星路程）、矢徑掃過的面積、極大極小值（如近日點、遠日點、最大射程等）、體積、重心、引力等等；盡管牛頓以前已有對數、解析幾何、無窮級數等成就，但還不能圓滿或普遍地解決這些問題。當時笛卡兒的《幾何學》和瓦里斯的《無窮算術》對牛頓的影響最大。牛頓將古希臘以來求解無窮小問題的種種特殊方法統一為兩類演算法：正流數術（微分）和反流數術（積分），反映在1669年的《運用無限多項方程》、1671年的《流數術與無窮級數》、1676年的《曲線求積術》三篇論文和《原理》一書中，以及被保存下來的1666年10月他寫的在朋友們中間傳閱的一篇手稿《論流數》中。所謂「流量」就是隨時間而變化的自變數如x、y、s、u等，「流數」就是流量的改變速度即變化率，寫作等。他說的「差率」「變率」就是微分。與此同時，他還在1676年首次公布了他發明的二項式展開定理。牛頓利用它還發現了其他無窮級數，並用來計算面積、積分、解方程等等。1684年萊布尼茲從對曲線的切線研究中引入了和拉長的S作為微積分符號，從此牛頓創立的微積分學在大陸各國迅速推廣。

微積分的出現，成了數學發展中除幾何與代數以外的另一重要分支——數學分析（牛頓稱之為「藉助於無限多項方程的分析」），並進一步進進發展為微分幾何、微分方程、變分法等等，這些又反過來促進了理論物理學的發展。例如瑞士J.伯努利曾徵求最速降落曲線的解答，這是變分法的最初始問題，半年內全歐數學家無人能解答。1697年，一天牛頓偶然聽說此事，當天晚上一舉解出，並匿名刊登在《哲學學報》上。伯努利驚異地說：「從這鋒利的爪中我認出了雄獅」。

牛頓在前人工作的基礎上，提出「流數(fluxion)法」，建立了二項式定理，並和G.W.萊布尼茨幾乎同時創立了微積分學，得出了導數、積分的概念和運演算法則，闡明了求導數和求積分是互逆的兩種運算，為數學的發展開辟了一個新紀元。

光學方面的貢獻

牛頓曾致力於顏色的現象和光的本性的研究。1666年，他用三棱鏡研究日光，得出結論：白光是由不同顏色(即不同波長)的光混合而成的，不同波長的光有不同的折射率。在可見光中，紅光波長最長，折射率最小；紫光波長最短，折射率最大。牛頓的這一重要發現成為光譜分析的基礎，揭示了光色的秘密。牛頓還曾把一個磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面，壓在一個十分光潔的平面玻璃上，在白光照射下可看到，中心的接觸點是一個暗點，周圍則是明暗相間的同心圓圈。後人把這一現象稱為「牛頓環」。他創立了光的「微粒說」，從一個側面反映了光的運動性質，但牛頓對光的「波動說」並不持反對態度。1704年，他出版了《光學》一書，系統闡述他在光學方面的研究成果。

熱學方面的貢獻

牛頓確定了冷卻定律，即當物體表面與周圍有溫差時，單位時間內從單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。

天文學方面的貢獻

牛頓1672年創制了反射望遠鏡。他用質點間的萬有引力證明，密度呈球對稱的球體對外的引力都可以用同質量的質點放在中心的位置來代替。他還用萬有引力原理說明潮汐的各種現象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有關，而且同太陽的方位有關。牛頓預言地球不是正球體。歲差就是由於太陽對赤道突出部分的攝動造成的。

哲學方面的貢獻

牛頓的哲學思想基本屬於自發的唯物主義，他承認時間、空間的客觀存在。如同歷史上一切偉大人物一樣，牛頓雖然對人類作出了巨大的貢獻，但他也不能不受時代的限制。例如，他把時間、空間看作是同運動著的物質相脫離的東西，提出了所謂絕對時間和絕對空間的概念；他對那些暫時無法解釋的自然現象歸結為上帝的安排，提出一切行星都是在某種外來的「第一推動力」作用下才開始運動的說法。

《自然哲學的數學原理》牛頓最重要的著作，1687年出版。該書總結了他一生中許多重要發現和研究成果，其中包括上述關於物體運動的定律。他說，該書「所研究的主要是關於重、輕流體抵抗力及其他吸引運動的力的狀況，所以我們研究的是自然哲學的數學原理。」該書傳入中國後，中國數學家李善蘭曾譯出一部分，但未出版，譯稿也遺失了。現有的中譯本是數學家鄭太朴翻譯的，書名為《自然哲學之數學原理》，1931年商務印書館初版，1957、1958年兩次重印。

牛頓對自然的興趣

由於牛頓在劍橋受到數學和自然科學的熏陶和培養，對探索自然現象產生極為濃厚的興趣。就在1665～1666年這兩年之內，他在自然科學領域內思潮奔騰，才華迸發，思考前人從未思考過的問題，踏進前人沒有涉及的領域，創建前所未有的驚人業績。1665年初他創立級數近似法以及把任何冪的二項式化為一個級數的規則。同年11月，創立正流數法（微分）；次年1月，研究顏色理論；5月，開始研究反流數法（積分）。這一年內，牛頓還開始想到研究重力問題，並想把重力理論推廣到月球的運行軌道上去。他還從開普勒定律中推導出使行星保持在它們軌道上的力必定與它們到旋轉中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說，說的也是在此時發生的軼事。總之，在家鄉居住的這兩年中，牛頓以比此後任何時候更為旺盛的精力從事科學創造，並關心自然哲學問題。由此可見，牛頓一生的重大科學思想是在他青春年華、思想敏銳短短兩年期間孕育、萌發和形成的。

1667年牛頓重返劍橋大學，10月1日被選為三一學院的仲院侶，次年3月16日選為正院侶。當時巴羅對牛頓的才能有充分認識。1669年10月27日巴羅便讓年僅26歲的牛頓接替他擔任盧卡斯講座的教授。牛頓把他的光學講稿(1670～1672年)、算術和代數講稿(1673～1683年)《自然哲學的數學原理》（以下簡稱《原理》）的第一部分(1684～1685年)，還有《宇宙體系》(1687年)等手稿送到劍橋大學圖書館收藏。1672年起他被接納為皇家學會會員，1703年被選為皇家學會主席直到逝世。其間牛頓和國內外科學家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E·哈雷、胡克、C·惠更斯、G·W·F·von萊布尼茲和J·沃利斯等。牛頓在寫作《原理》之後，厭倦大學教授生活，他得到在大學學生時代結識的一位貴族後裔C.蒙塔古的幫助，於1696年謀得造幣廠監督職位，1699年升任廠長，1701年辭去劍橋大學工作。當時英國幣制混亂，牛頓運用他的冶金知識，製造新幣。因改革幣制有功，1705年受封為爵士。晚年研究宗教，著有《聖經里兩大錯訛的歷史考證》等文。牛頓於1727年3月31日（儒略歷20日）在倫敦郊區肯辛頓寓中逝世，以國葬禮葬於倫敦威斯敏斯特教堂。

《光學》和反射式望遠鏡的發明，光學和力學一樣，在古希臘時代就受到注意。用於天文觀測的需要，光學儀器的製作很早就得到了發展，光的反射定律早在歐幾里得時代已經聞名，但折射定律直到牛頓出生之前不久才為荷蘭科學家W.斯涅耳所發現。玻璃的製作早已從阿拉伯輾轉傳入西歐。16世紀荷蘭磨製透鏡的手工業大興。把透鏡適當組合成一個系統就可成為顯微鏡或望遠鏡。這兩種儀器的發明對科學發展起了重大作用。在牛頓之前，伽利略首先把他所製作的望遠鏡用在天象觀測上。枷利略式的望遠鏡是以一片會聚透鏡為目鏡、一片發散透鏡為物鏡的望遠鏡。還有當時盛行的由兩片會聚透鏡組成的開普勒望遠鏡。兩種望遠鏡都無法消除物鏡的色散。牛頓發明以金屬磨成的反射鏡代替會聚透鏡作為物鏡，這樣就避免了物鏡的色散。當時牛頓製成的望遠鏡長6英寸，直徑1英寸，放大率為30～40倍。經過改進，1671年他製作了第二架更大的反射式望遠鏡，並送到皇家學會評審。這台望遠鏡被皇家學會作為珍貴科學文物收藏起來。為了製造反射式望遠鏡，牛頓親自冶煉合金和研磨鏡面。牛頓自幼愛好動手制模型，做試驗，這對他在光學實驗上的成功有極大幫助。光的顏色問題早在公元前就有人在作猜測，把虹的光色和玻璃片的邊緣形成的顏色聯系起來。從亞里士多德以來到笛卡兒都認為白光是純潔的、均勻的，是光的本質，而色光只是光的變種。他們都沒像牛頓那樣認真做過實驗。

思想
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亞里士多德的哲學講求事物的和諧，求和諧思想是正確的，但亞里士多德認為天上的日、月、星辰的運行軌道是圓形，因為只有圓運動才是完美的、和諧的，而地上的運動，例如重物直線下落是凡俗的。古希臘哲學家的和諧思想不能在天與地之間連貫。到了17世紀，牛頓用引力理論和運動三定律把天上行星和它們的衛星運動規律，同地上重力下墜的現象統一起來，實現了天上人間的統一，這是牛頓在自然哲學上的偉大貢獻。眾所周知，牛頓在理解光的本質上持微粒說。但他在同胡、惠更斯等討論光的本質時，說光具有這種或那種本能激發以太的振動。這意味著以太是光振動的媒質（見以太論）。於此，似乎牛頓對光的雙重性有所理解；其實不然，他對以太媒質之存在極似空氣之無所不在，只是遠為稀薄、微細而具有強有力的彈。他又申說，就是由於以太的動物氣質才使肌肉收縮和伸長，動物得以運動。他又進一步以以太來解釋光的反射與折射，透明與不透明，以及顏色的產生，他甚至於設想地球的引力是由於有如以大氣質不斷凝聚使然。《原理》第二編第六章詮釋的結尾說，從記憶中他曾做實驗傾向於以太充斥於所有物體的空隙之中的說法，雖然以太對於引力沒有覺察的影響。14、15世紀以來歐洲的學者對以太著了迷，以太學說風靡一時。當時科學巨擘笛卡兒對以太存在深信不疑。他認為行星之運行可以以太旋渦來解釋。以太學說成為一時哲學思潮。尊重實驗的牛頓也不免捲入這股哲學思潮激流中去，傾向於它存在。當時人們對超距作用看法不一。牛頓曾經指出他的引力相互作用定律，並不認為是最終的解釋，而只是從實驗中歸納出來的一條規則。因此，牛頓並未就引力本質作出結論。

牛頓在科學上的成就須由他的哲學思想和科學方法來尋根求源。牛頓的學生R.科茨曾在《原理》第2版序言中道出了其中的奧妙。古希臘、羅馬的哲學家憑著對自然現象的觀察和思考(中國先秦時代也有類似之處)總結出論斷，例如泰勒斯的學說：萬物的根源是水。即使像德謨克利特、盧克萊修的原子論，現在來評價還是很高的。但是他們的方法憑天才的臆測、思維與辯論，稱之為思辨哲學。到了中世，經院哲學統治著歐洲。科學、哲學淪為神學的奴婢。到15、16世紀，哥白尼、G.布魯諾、伽利略等人不畏坐牢、火刑等堅持不屈地向教會作斗爭，掙脫了侍奉上帝的桎梏。對自然現象的觀察、測量和實驗的風氣逐漸形成了。在物理學科中伽利略的實驗工作是實驗物理學的開端，牛頓深受其影響。隨後牛頓使作為實驗科學的物理學形成一個光輝體系，同時也使科學實驗方法闖入了哲學思想的殿堂。

牛頓認為從現象中可以得出科學原理，或者說科學基本原理可以從現象中導得或推出。牛頓在《原理》和《光學》兩書中明白表達他的做學問的方法，即要明白無誤地區別猜測、假設和實驗結果（及由此而歸納得出的結論），還有從某些假設條件下所得到數學推導。《原理》第一編十四章中處理細微粒子的運動和第二編命題23中設想氣體中有相互排斥質點的模型都是牛頓運用具有物理實質性的數學模型的例子，但是他對這些問題缺少實質性的實驗證據，未能寫出無可辯駁的論述。論者可能認為牛頓只注重從實驗運用歸納法得出定律，而無視演繹法的重要性。這是有違事實的。1713年牛頓在出版《原理》第2版時在給他的學生科茨的信中提到運動定律是居於首位的定律或稱之為公理，並說它們都是從現象中推斷或稱演繹而來的，並運用歸納法使之普適化。牛頓說：「這是一個命題在哲學中所能達到最高境界的例證。」誠然，必須看到歸納與演繹不能人為地對立起來。恩格斯指出「歸納和演繹正如分析和綜合一樣，是必然相互聯系著的。不應當犧牲一個而把另一個捧到天上去」。牛頓在此早著先鞭。關於實驗與假設之間的關系，牛頓在各種場合都有論述。他在給奧爾登堡的信中說：「進行哲學研究的最好和最可靠的方法，看來第一是勤勤懇懇地探索事物的屬性並用實驗來證明這些屬性。然後進而建立一些假說，用以解釋這些事物的本性。」給科茨信中說：「任何不是從現象中推論出來的說法都應稱之為假說，而這樣一種假說無論是形而上學的還是物理學的，無論屬於隱蔽性質的還是力學性質的，在實驗哲學中都沒有它們的地位。」牛頓這些論述奠定了自然哲學的基礎，啟開了實驗科學的大門，300年來為自然科學的繁榮立下了不朽功勛。牛頓研究事物規律的方法不同於那些只從簡單的物理假設出發的人，而是通過邏輯的演繹法得到對事物現象的解釋。愛因斯坦指出：「牛頓才第一個成功地找到了一個用公式清楚表述的基礎，從這基礎出發他用數學的思維，邏輯地、定量地演繹出范圍很廣的現象並且同經驗相符合。」「在牛頓之前還沒有什麼實際的結果支持那種認為物理因果關系有完整鏈條的信念。」牛頓是完整的物理因果關系創始人；而因果關系正是經典物理學的基石。牛頓出身於篤信基督教的家庭。在劍橋求學時代，他就懷著宗教生活里亦如科學實驗一樣可以自由自在的幻想和工作。《原理》完成後，他便著手有關基督教《聖經》的研究，並開始寫這方面的著作，手稿達150萬字之多，絕大部分未發表。可見牛頓在宗教著述上浪費了大量時間的精力。關於牛頓在1692～1693年間答復本特萊大主教4封信論造物主（上帝）之存在，最為後人所詬病。所謂神臂就是第一推動出於第四封信中。從現代宇宙學來說，第一推動完全可能在物理框架中解決，而無需「神助」。

牛頓反對當時的英國國教。他反對三一教義，但不鮮明表白自己的意志，只是隱蔽地表明不願擔任聖職。總之，在對於宗教問題上牛頓比之於他的先驅者如哥白尼、布魯諾、伽利略等赴湯蹈火而不辭的精神，則遜色多了。

1942年愛因斯坦為紀念牛頓誕生300周年而寫的文章，對牛頓的一生作如下的評價「只有把他的一生看作為永恆真理而斗爭的舞台上一幕才能理解他」。此贊語最恰當不過的了。

牛頓的哲學思想和科學方法:

牛頓在科學上的巨大成就連同他的樸素的唯物主義哲學觀點和一套初具規模的物理學方法論體系，給物理學及整個自然科學的發展，給18世紀的工業革命、社會經濟變革及機械唯物論思潮的發展以巨大影響。這里只簡略勾畫一些輪廓。

牛頓的哲學觀點與他在力學上的奠基性成就是分不開的，一切自然現象他都力圖力學觀點加以解釋，這就形成了牛頓哲學上的自發的唯物主義，同時也導致了機械論的盛行。事實上，牛頓把一切化學、熱、電等現象都看作「與吸引或排斥力有關的事物」。例如他最早闡述了化學親和力，把化學置換反應描述為兩種吸引作用的相互競爭；認為「通過運動或發酵而發熱」；火葯爆炸也是硫磺、炭等粒子相互猛烈撞擊、分解、放熱、膨脹的過程，等等。

這種機械觀，即把一切的物質運動形式都歸為機械運動的觀點，把解釋機械運動問題所必需的絕對時空觀、原子論、由初始條件可以決定以後任何時刻運動狀態的機械決定論、事物發展的因果律等等，作為整個物理學的通用思考模式。可以認為，牛頓是開始比較完整地建立物理因果關系體系的第一人，而因果關系正是經典物理學的基石。

④ 牛頓為啥終身不娶

牛頓終身不娶是為了科學而徹頭徹尾的奉獻出了自己的一切。

牛頓的戀情發生在中學時代。據《數學史介紹》記載：「牛頓從小生活在鄉村，後來被送到格蘭瑟姆的國王中學學習，寄宿在當地的一個葯劑師威廉·克拉克的家裡，對克拉克的繼女安妮·斯托勒產生了愛慕之情，並與19歲上大學前與她訂婚。後來由於專注於科學研究使愛情冷卻，斯托勒小姐便嫁給了別人。從此便再也沒有別的羅曼史，牛頓也終身未娶。」

但根據與牛頓同時代的友人威廉·斯蒂克利所著的《艾薩克·牛頓爵士生平回憶錄》的描述，斯蒂克利在牛頓去世後曾訪問過文森特夫人，也就是當年牛頓的戀人斯托勒小姐，她表示牛頓當年寄宿時對她僅僅是「懷有情愫」的程度而已。

牛頓在科學上的貢獻

在力學上，牛頓闡明了動量和角動量守恆的原理，提出牛頓運動定律。在光學上，他發明了反射望遠鏡，並基於對三棱鏡將白光發散成可見光譜的觀察，發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律，並研究了音速。

在數學上，牛頓與戈特弗里德·威廉·萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理，提出了「牛頓法」以趨近函數的零點，並為冪級數的研究做出了貢獻。