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有關物理學上的歷史故事

牛頓

被譽為近代科學的開創者牛頓,在科學上作出了巨大貢獻。他的三大成就——光的分析、萬有引力定律和微積分學,對現代科學的發展奠定了基礎。

牛頓為什麽能在科學上獲得巨大成就?他怎樣由壹個平常的人成為壹個偉大的科學家?要回答這些問題,我們不禁要聯想到 他刻苦學習和勤奮工作的幾個故事。

“我壹定要超過他!”

壹談到牛頓,人們可能認為他小時候壹定是個“神童”、“天才”、有著非凡的智力。其實不然,牛頓童年身體瘦弱,頭腦並不聰明。在家鄉讀書的時候,很不用功,在班裏的學習成績屬於次等。但他的興趣卻是廣泛的,遊戲的本領也比壹般兒童高。 平時他愛好制作機械模型壹類的玩藝兒,如風車、水車、日晷等等。他精心制作的壹只水鐘,計時較準確,得到了人們的贊許。 有時,他玩的方法也很奇特。壹天,他作了壹盞燈籠掛在風箏尾巴上。當夜幕降臨時,點燃的燈籠借風箏上升的力升入空中 。發光的燈籠在空中流動,人們大驚,以為是出現了彗星。盡管如此,因為他學習成績不好,還是經常受到歧視。

當時,封建社會的英國等級制度很嚴重,中小學裏學習好的學生,可以歧視學習差的同學。有壹次課間遊戲,大家正玩得興 高采烈的時候,壹個學習好的學生借故踢了牛頓壹腳,並罵他笨蛋。牛頓的心靈受到這種刺激,憤怒極了。他想,我倆都是學生 ,我為什麽受他的欺侮?我壹定要超過他!從此,牛頓下定決心,發奮讀書。他早起晚睡,抓緊分秒、勤學勤思。

經過刻苦鉆研,牛頓的學習成績不斷提高,不久就超過了曾欺侮過他的那個同學,名列班級前茅。

籬笆下的樂趣

世界上有許多著名的科學家的家境是清貧的。他們在通往成功的道路上,都曾與困苦的境遇作過頑強的鬥爭。牛頓少年時代的境遇也是十分令人同情的。

牛頓壹六四二年出生在英國壹個普通農民的家裏。在牛頓出生前不久,他的父親就去世了。母親在他兩歲那年改嫁了。當牛頓十四歲的時候,他的繼父不幸故去了,母親回到家鄉,牛頓被迫休學回家,幫助母親種田過日子。母親想培養他獨立謀生,要他經營農產品的買賣。

壹個勤奮好學的孩子多麽不願意離開心愛的學校啊!他傷心地哭鬧了幾次,母親始終沒有回心轉意,最後只得違心地按母親的意願去學習經商。每天壹早,他跟壹個老仆人到十幾裏外的大鎮子去做買賣。牛頓非常不喜歡經商,把壹切事務都交托老仆人經辦,自己卻偷偷跑到壹個地方去讀書。

時光漸漸流逝,牛頓越發對經商感到厭惡,心裏所喜歡的只是讀書。後來,牛頓索性不去鎮裏營商了,僅囑老仆人獨去。怕家裏人發覺,他每天與老仆人壹同出去,到半路停下,在壹個籬笆下讀書。每當下午老仆人歸來時,再壹同回家。

這樣,日復壹日,籬笆下的讀書生活倒也其樂無窮。壹天,他正在籬笆下興致勃勃地讀書,趕巧被過路的舅舅看見。舅舅壹看這個情景,很是生氣,大聲責罵他不務正業;把牛頓的書搶了過來。舅舅壹看他所讀的是數學書,上面畫著種種記號,心裏受到感動。舅舅壹把抱住牛頓,激動地說:“孩子,就按妳的誌向發展吧,妳的正道應該是讀書。”

回到家裏後,舅舅竭力勸說牛頓的母親,讓牛頓棄商就學。在舅舅的幫助下,牛頓如願以償地復學了。

在暴風中研究和計算風力

時間對人是壹視同仁的,給人以同等的量,但人對時間的利用不同,而所得的知識也大不壹樣。

牛頓十六歲時數學知識還很膚淺,對高深的數學知識甚至可以說是不懂。“知識在於積累,聰明來自學習”。牛頓下決心靠自己的努力攀上數學的高峰。在基礎差的不利條件下,牛頓能正確認識自己,知難而進。他從基礎知識、基本公式重新學起,紮紮實實、步步推進。他研究完了歐幾裏德幾何學後,又研究笛卡兒幾何學,對比之下覺得歐幾裏德幾何學膚淺,便悉心鉆研笛氏幾何學,直到掌握要領、融會貫通。遂之發明了代數二項式定理。傳說中牛頓“大暴風中算風力”的佳話,可為牛頓身體力學的佐證。有壹天,天刮著大風暴。風撒野地呼號著,塵土飛揚,迷迷漫漫,使人難以睜眼。牛頓認為這是個準確地研究和計算風力的好機會。於是,便拿著用具,獨自在暴風中來回奔走。他踉踉蹌蹌、吃力地測量著。幾次沙塵迷了眼睛,幾次風吹走了算紙,幾次風使他不得不暫停工作,但都沒有動搖他求知的欲望。他壹遍又壹遍,終於求得了正確的數據。他快樂極了,急忙跑回家去,繼續進行研究。有誌者事竟成。經過勤奮學習,牛頓為自己的科學高塔打下了深厚的基礎。不久,牛頓的數學高塔就建成了,

二十二歲時發明了微分學,二十三歲時發明了積分學,為人類科學事業作出了巨大貢獻。

萬有引力和光的秘密

牛頓二十三歲時,鼠疫流行於倫敦。劍橋大學為預防學生受傳染,通告學生休學回家避疫,學校暫時關閉。牛頓回到故鄉林肯郡鄉下。在鄉下度過的休學日子裏,他從沒間斷過學習和研究。萬有引力、微積分、光的分析等發明的基礎工作,都是這個期間完成的。那時,鄉下的孩子是常常用投石器打幾個轉轉之後,把石拋得很遠。他們還可以把壹桶牛奶用力從頭上轉過,而牛奶不掉下來。

這些事實使他懷疑起來:“什麽力量使投石器裏面的石頭,以及水桶裏的牛奶不掉下來呢?對於這個問題,他曾想到刻蔔勒伽利略的思想。他從浩瀚的宇宙太空,周行不息的行星,廣寒的月球,直至龐大的地球,進而想到這些龐然大物之間力的相互作用。這時,牛頓壹頭紮進“引力”的計算和驗證中了。牛頓計劃用這個原理驗證太陽系各行星的行動規律。他首先推求月球距地球的距離,由於引用的資料數據不正確,計算的結果錯了。因為依理推算月球圍繞地球轉,每分鐘的向心加速度應是十六英尺,但據推算僅得十三點九英尺。在失敗的困境中,牛頓毫不灰心和氣餒,反而以更大的努力進行辛勤地研究。整整經過了七個春秋寒暑,到三十歲時終於把舉世聞名的“萬有引力定律”全面證明出來,奠定了理論天文學、天體力學的基礎。

這時期牛頓還對光學進行了研究,發現了顏色的根源。壹次,他在用自制望遠鏡觀察天體時,無論怎樣調整鏡片,視點總是不清楚。他想,這可能與光線的折光有關。接著就實驗起來。他在暗室的窗戶上留壹個小圓孔用來透光,在室內窗孔後放壹個三棱鏡,在三棱鏡後掛好白屏接受通過三棱鏡折進的光。結果,大出意外,牛頓驚異地看到,白屏上所接受的折光呈橢圓形,兩端現出多彩的顏色來。對這個奇異的現象,牛頓進行了深入的思考。得知光受折射後,太陽的白光散為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。因此,白光(陽光)是由紅、橙、黃、綠、藍、 靛、紫七色光線匯合而成。自然界雨後天晴,陽光經過天空中余圍的雨滴的折射、反射,形成五彩繽紛的虹霓,正是這個道理。經過進壹步研究,牛頓指出世界萬物所以有顏色,並非其自身有顏色。太陽普照萬物,各物體只吸收它所接受的顏色,而將它所不能接受的顏色反射出來。這反射出來的顏色就是人們見到的各種物體的顏色。這壹學說準確地道出顏色的根源,世界上自古以來所出現的各種顏色學說都被它所推翻。

牛頓所以能取得如此巨大的成就,早年苦學所打下的深厚數學基礎起了重要作用。

進入忘我的境界

在壹個崎嶇的山路上,壹位白發蒼蒼的老人牽著壹匹馬在緩緩登山。人在前面慢慢地走,馬在後面壹步步地跟,山谷中響著單調的馬蹄聲。走啊,走啊,馬突然脫韁而跑,老人由於沈浸在極度的思索之中,竟沒有發覺。老人依然不畏艱難地登著山,手裏還牽著那根馬韁繩。當他登到較平坦的地方想要騎馬時 壹拉韁繩,拽到面前的只是壹根繩,回頭壹看馬早已沒有了。

牛頓每天除抽出少量的時間鍛煉身體外,大部分時間是在書房裏度過的。壹次,在書房中,他壹邊思考著問題,壹邊在煮雞蛋。苦苦地思索,簡直使他癡呆。突然,鍋裏的水沸騰了,趕忙掀鍋壹看,“啊!”他驚叫起來,鍋裏煮的卻是壹塊懷表。原來他考慮問題時竟心不在焉地隨手把懷表當做雞蛋放在鍋裏了。

還有壹次,牛頓邀請壹位朋友到他家吃午飯。他研究科學入了迷,把這件事忘掉了。他的傭人照例只準備了牛頓個人吃的午飯。臨近中午,客人應邀而來。客人看見牛頓正在埋頭計算問題,桌上、床上擺著稿紙、書籍。看到這種情形,客人沒有打攪牛頓,見桌上擺著飯菜,以為是給他準備的,便坐下吃了起來。吃完後就悄悄地走了。當牛頓把題計算完了,走到餐桌旁準備吃午飯時,看見盤子裏吃過的雞骨頭,恍然大悟地說:“我以為我沒有吃飯呢,我還是吃了。”

這些故事究竟是真是假,並不關重要,不過表明了牛頓是壹個怎樣沈思默想,不修邊幅,虛己斂容的人,他對科學極度的專心,總是想著星辰的旋轉,宇宙的變化,而進入了忘我的境界。

謙虛謹慎、壹絲不茍的學風

“寬闊的河流平靜,學識淵博的人謙虛。”凡是對人類發展作出巨大貢獻的偉大人物,都有謙虛的美德。牛頓每當在科學上獲得偉大成就時,從不沾沾自喜,自以為很了不起,急忙出版著作,以揚名於世。

當牛頓費盡心血算出“萬有引力定律”後,沒有急於發表。而是繼續孜孜不倦地深思了數年,研究了數年,埋頭於數字計算之中,從未對任何人講過壹句。後來,牛頓的朋友,大天文學家哈雷(彗星的發現者),在證明壹個關於行星軌道的規律遇到困難時,專程登門請教牛頓。牛頓把自己關於計算“萬有引力”的書稿交給哈雷看。哈雷看後才知道他所要請教的問題,正是牛頓早已解決、早已算好了的問題,心裏欽羨不已。

在壹六八四年十壹月某壹天,哈雷又到牛頓的寓所拜訪。當談到有關天文學的學術問題時,牛頓拿出寫好的關於論證“萬有引力”的論文,請哈雷提意見。哈雷看後,對這壹巨著感到非常驚訝。他欣喜地對牛頓說:“這真是偉大的論證、偉大的著作!”他再三奉勸牛頓盡快發表這部偉大著作,以造福於人類。可是牛頓沒有聽信朋友的好意勸告,輕易地發表自己的著作。而是經過長時間的壹絲不茍的反復驗證和計算,確認正確無誤後,才於壹六八七年七月將《自然哲學的數學原理》發表於世。

牛頓是個十分謙虛的人,從不自高自大。曾經有人問牛頓:“妳獲得成功的秘訣是什麽?”牛頓回答說:“假如我有壹點微小成就的話,沒有其它秘訣,唯有勤奮而已。”他又說:“假如我看得遠些,那是因為我站在巨人們的肩上。”這些話多麽意味深長啊!它生動地道出牛頓獲得巨大成就的奧妙所在.

故事之壹:簡樸生活

1895年,居裏夫人和比埃爾·居裏結婚時,新房裏只有兩把椅子,正好兩人各壹把。比埃爾·居裏覺得椅子太少,建議多添幾把,以免客人來了沒地方坐,居裏夫人卻說:“有椅子是好的,可是,客人坐下來就不走啦。為了多壹點時間搞研究,還是算了吧。”

從1913年起,居裏夫人的年薪已增至4萬法郎,但她照樣“吝嗇”。她每次從國外回來,總要帶回壹些宴會上的菜單,因為這些菜單都是很厚很好的紙片,在背面寫字很方便。難怪有人說居裏夫人壹直到死都“像壹個匆忙的貧窮婦人”。

有壹次,壹位美國記者尋訪居裏夫人,他走到村子裏壹座漁家房舍門前,向赤足坐在門口石板上的壹位婦女打聽居裏夫人的住處,當這位婦女擡起頭時,記者大吃壹驚:原來她就是居裏夫人。

故事之二:淡泊名利

居裏夫人天下聞名,但她既不求名也不求利。她壹生獲得各種獎金10次,各種獎章16枚,各種名譽頭銜107個,卻全不在意。有壹天,她的壹位朋友來她家做客,忽然看見她的小女兒正在玩英國皇家學會剛剛頒發給她的金質獎章,於是驚訝地說“居裏夫人,得到壹枚英國皇家學會的獎章,是極高的榮譽,妳怎麽能給孩子玩呢?”居裏夫人笑了笑說:“我是想讓孩子從小就知道,榮譽就像玩具,只能玩玩而已,絕不能看得太重,否則就將壹事無成。”

故事之三:“教女有方”

居裏夫人有兩個女兒。“把握智力發展的年齡優勢”是居裏夫人開發孩子智力的重要“訣竅”。早在女兒不足周歲的時候,居裏夫人就引導孩子進行幼兒智力體操訓練,引導孩子廣泛接觸陌生人,去動物園觀賞動物,讓孩子學遊泳,欣賞大自然的美景。孩子稍大壹些,她就教她們做壹種帶藝術色彩的智力體操,教她們唱兒歌、講童話。再大壹些,就讓孩子進行智力訓練,教她們識字、彈琴、搞手工制作等等,還教她們騎車、騎馬。 繼居裏夫人和她的丈夫獲諾貝爾獎之後,由居裏夫人培養成才的兩對後輩也相繼獲得諾貝爾獎:長女伊倫娜,核物理學家,她與丈夫約裏奧因發現人工放射物質而***同獲得諾貝爾化學獎。次女艾芙,音樂家、傳記作家,其丈夫曾以聯合國兒童基金組織總幹事的身份榮獲1956年諾貝爾和平獎。

伽利略(Galileo Galilei,1564-1642),意大利物理學家、天文學家和哲學家,近代實驗科學的先驅者。

1590年,伽利略在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的著名實驗,從此推翻了亞裏斯多德“物體下落速度和重量成比例”的學說,糾正了這個持續了1900年之久的錯誤結論。

1609年,伽利略創制了天文望遠鏡(後被稱為伽利略望遠鏡),並用來觀測天體,他發現了月球表面的凹凸不平,並親手繪制了第壹幅月面圖。1610年1月7日,伽利略發現了木星的四顆衛星,為哥白尼學說找到了確鑿的證據,標誌著哥白尼學說開始走向勝利。借助於望遠鏡,伽利略還先後發現了土星光環、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的周日和周月天平動,以及銀河是由無數恒星組成等等。這些發現開辟了天文學的新時代。

伽利略著有《星際使者》、《關於太陽黑子的書信》、《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關於兩門新科學的談話和數學證明》。

為了紀念伽利略的功績,人們把木衛壹、木衛二、木衛三和木衛四命名為伽利略衛星。

人們爭相傳頌:“哥倫布發現了新大陸,伽利略發現了新宇宙”。

19世紀,隨著物理學界壹系列偉大發現相繼產生,許多科學家宣稱物理學的大廈已基本建成,留給後人的只是補充與完善。然而,20世紀初,壹位年輕的物理學家幾乎僅靠單槍匹馬之力便讓這座經典物理學大廈轟然倒塌。他就是偉大的理論物理學家,相對論的創始人阿爾伯特·愛因斯坦。

愛因斯坦1879年3月14日出生在德國巴登-符騰堡州烏爾姆市壹個猶太人家庭。次年,全家遷往慕尼黑。愛因斯坦幼年並未表現出過人的才華。他先在慕尼黑讀高中,未畢業就退學,後轉入瑞士阿勞市的州立中學。1896年,愛因斯坦進入瑞士蘇黎世聯邦工業學院學習數學和物理學,畢業後成為壹名老師。愛因斯坦喜愛教書育人,但成為壹名物理學家卻是他無法放棄的夢想。

1902年,愛因斯坦在瑞士首都伯爾尼當上了壹名專利局的審查員。專利局工作的輕松讓愛因斯坦得以繼續致力於科學研究。1905年,年僅26歲的愛因斯坦發表了三篇論文,在物理學三個不同領域取得了歷史性成就,特別是狹義相對論的提出,使人類對於空間、時間和物質運動的認識發生了革命性變化,標誌著物理學新紀元的到來。

1914年,愛因斯坦返回德國,進入普魯士科學研究所從事科學研究,兼任柏林大學教授。1915年,愛因斯坦發表廣義相對論。這是繼狹義相對論之後,近代科學的又壹個重大成就。1919年,英國天文學家愛丁頓的日全食觀測結果證實了愛因斯坦所作的光線經過太陽引力場會彎曲的預言。愛因斯坦由此聲名鵲起,相對論成為人們家喻戶曉的名詞。

1921年,愛因斯坦因在光電效應方面的研究而被授予諾貝爾物理學獎。1933年由於納粹德國反猶太主義狂潮,愛因斯坦被迫移居美國,1940年獲得美國國籍。1955年4月18日,愛因斯坦在美國普林斯頓辭世。

愛因斯坦除在光電效應、相對論等方面作出舉世皆知的傑出貢獻外,他關於布朗運動的研究成果,由於對大量無序因子的規律性把握,成為當今最熱門的金融數學的基礎;他提出的激光受激輻射的概念,在幾十年後的今天得到了廣泛的應用;他與玻爾進行的論戰中提出的EPR佯謬,至今仍是理論物理學和科學哲學界不斷探討的話題……

愛因斯坦不僅是壹位偉大的科學家,還是壹位和平主義者。他目睹了兩次世界大戰中對人類文明的摧殘,認為和平是人類的首要問題。1955年4月,彌留之際的愛因斯坦簽署了《羅素—愛因斯坦宣言》,呼籲人們團結起來,防止新的世界大戰爆發。