一位科学家的事迹鼓励了我

　　从古至今，世界上产生了多少位举世闻名的科学家，以他们自己研究的发明而震惊全世界。虽然再在科学探究的道路上是艰苦的，但是科学家们还是凭借自己顽强的意志，克服了在科学道路探究下的种种困难，最终都成为了一代伟人。我们可以从他们的身上学到许许多多的精神。其中最令我佩服的一位就是英国的大科学家—牛顿。

　　1642年的圣诞节，在英国．林肯郡．沃斯索普村一个农民家庭中，一个天才人物–艾萨克‧牛顿(IsaacNewton)出生。牛顿出生前三个月，他的父亲已经去世了。两年后他母亲改嫁，牛顿便由他的外祖母抚养。到了十二岁牛顿在舅父的资助下进入皇家中学。可是这时的牛顿并不是个聪明伶俐的孩子，他在学校里的功课都做得很差，而且身体也不好，性格沉默和爱发白日梦，几乎没有出众之处。他的超人才智竟然是被一个野蛮的同学无理地在他身上踢了一脚而唤醒的！他跟那个同学打架而且打赢了，可是那个霸道的同学在功课下却远比牛顿好。于是牛顿便决心发奋，誓要在功课上超越他，结果他不单在皇家中学中名列前茅，十八岁时更进入了剑桥大学的三一学院。在之后的生活里，牛顿遇到了一位独具慧眼的教授，他一下子就看出牛顿是一个人才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。牛顿一身的科学成就有很多，例如：力学，万有引力，牛顿第一定律，牛顿第二定律…但他从不骄傲，他有一段经典名言：我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自己看来，我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。

　　多么伟大的一个人。

　　牛顿

　　牛顿（Isaac　Newton，1643～1727）伟大的物理学家、天文学家和数学家，经典力学体系的奠基人。

　　牛顿1643年1月4日诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普一个自耕农家庭。出生前八九个月父死于肺炎。自小瘦弱孤僻而倔强。3岁时母亲改嫁，由外祖母抚养。11岁时继父去世，母亲又带3个弟妹回家务农。在不幸的家庭生活中，牛顿小学时成绩较差，“除设计机械外没显出才华”。

　　牛顿自小热爱自然，喜欢动脑动手。8岁时积攒零钱买了锤、锯来做手工，他特别喜欢刻制日晷，利用圆盘上小棍的投影显示时刻。传说他家里墙角、窗台上到处都有他刻划的日晷，他还做了一个日晷放在村中央，被人称为“牛顿钟”，一直用到牛顿死后好几年。他还做过带踏板的自行车；用小木桶做过滴漏水钟；放过自做的带小灯笼的风筝（人们以为是彗星出现）；用小老鼠当动力做了一架磨坊的模型，等等。他观察自然最生动的例子是15岁时做的第一次实验：为了计算风力和风速，他选择狂风时做顺风跳跃和逆风跳跃，再量出两次跳跃的距离差。牛顿在格兰瑟姆中学读书时，曾寄住在格兰瑟姆镇克拉克药店，这里更培养了他的科学实验习惯，因为当时的药店就是一所化学实验室。牛顿在自己的笔记中，将自然现象分类整理，包括颜色调配、时钟、天文、几何问题等等。这些灵活的学习方法，都为他后来的创造打下了良好基础。

　　牛顿曾因家贫停学务农，在这段时间里，他利用一切时间自学。放羊、购物、农闲时，他都手不释卷，甚至羊吃了别人庄稼，他也不知道。他舅父是一个神父，有一次发现牛顿看的是数学，便支持他继续上学。1661年6月考入剑桥大学三一学院。作为领取补助金的“减费生”，他必须担负侍候某些富家子弟的任务。三一学院的巴罗（Isaac　Barrow，1630～1677）教授是当时改革教育方式主持自然科学新讲座（卢卡斯讲座）的第一任教授，被称为“欧洲最优秀的学者”，对牛顿特别垂青，引导他读了许多前人的优秀著作。1664年牛顿经考试被选为巴罗的助手，1665年大学毕业。

　　在1665～1666年，伦敦流行鼠疫的两年间，牛顿回到家乡。这两年牛顿才华横溢，作出了多项发明。1667年重返剑桥大学，1668年7月获硕士学位。1669年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲座教授，1672年成为皇家学会会员，1703年成为皇家学会终身会长。1699年就任造币局局长，1701年他辞去剑桥大学工作，因改革币制有功，1705年被封为爵士。1727年牛顿逝世于肯辛顿，遗体葬于威斯敏斯特教堂。

　　牛顿的伟大成就与他的刻苦和勤奋是分不开的。他的助手H.牛顿说过，“他很少在两、三点前睡觉，有时一直工作到五、六点。春天和秋天经常五、六个星期住在实验室，直到完成实验。”他有一种长期坚持不懈集中精力透彻解决某一问题的习惯。他回答人们关于他洞察事物有何诀窍时说：“不断地沉思”。这正是他的主要特点。对此有许多故事流传：他年幼时，曾一面牵牛上山，一面看书，到家后才发觉手里只有一根绳；看书时定时煮鸡蛋结果将表和鸡蛋一齐煮在锅里；有一次，他请朋友到家中吃饭，自己却在实验室废寝忘食地工作，再三催促仍不出来，当朋友把一只鸡吃完，留下一堆骨头在盘中走了以后，牛顿才想起这事，可他看到盘中的骨头后又恍然大悟地说：“我还以为没有吃饭，原来我早已吃过了”。

　　牛顿的成就，恩格斯在《英国状况十八世纪》中概括得最为完整：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学”。（牛顿在建立万有引力定律及经典力学方面的成就不在此详述），这里着重从数学、光学、哲学（方法论）等方面的成就作一些介绍。

　　（1）牛顿的数学成就

　　17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，例如：如何求出物体的瞬时速度与加速度？如何求曲线的切线及曲线长度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小值（如近日点、远日点、最大射程等）、体积、重心、引力等等；尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就，但还不能圆满或普遍地解决这些问题。当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术（微分）和反流数术（积分），反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中，以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u等，“流数”就是流量的改变速度即变化率，写作等。与此同时他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利甩它还发现了其他无穷级数，并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了作为微积分符号，从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。

　　微积分的出现，成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支──数学分析（牛顿称之为“借助于无限多项方程的分析”），并进一步发展为微分几何、微分方程、变分法等等，这些又反过来促进了理论物理学的发展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答，这是变分法的最初始问题，半年内全欧数学家无人能解答。1697年，一天牛顿偶然听说此事，当天晚上一举解出，并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说：“从这锋利的爪中我认出了雄狮”。

　　（2）牛顿在光学上的成就

　　牛顿的《光学》是他的另一本科学经典著作（1704年）。该书用标副标题是“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文”，集中反映了他的光学成就。

　　第一篇是几何光学和颜色理论（棱镜光谱实验）。从1663年起，他开始磨制透镜和自制望远镜。在他送交皇家学会的信中报告说：“我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜，以便试验那著名的颜色现象。为此我弄暗我的房间……”接着详细叙述了他开小孔、引阳光进行的棱镜色散实验。关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡儿都认为白光纯洁均匀，乃是光的本色。“色光乃是白光的变种。牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的五色而是在红、黄、绿、蓝、紫色之间还有橙、靛青等中间色共七色。得出结论“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非匀匀的混合体”。这个惊人的结论推翻了前人的学说，是牛顿细致观察和多项反复实验与思考的结果。

　　在研究这个问题的过程中，牛顿还肯定：不管是伽利略望远镜（凹、凸）还是开普勒望远镜（两个凸透镜），其结构本身都无法避免物镜色散引起起的色差。他发现经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大30～40倍。1671年他将此镜送皇家学会保存，至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构。牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法，至今仍是不少工厂光学加工的主要手段。

　　《光学》第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的“牛顿环”现象的各种实验。除产生环的原因他没有涉及外，他作了现代实验所能想到的一切实验，并作了精确测量。他把干涉现象解释为光行进中的“突发”或“切合”，即周期性的时而突然“易于反射”，时而“易于透射”，他甚至测出这种等间隔的大小，如黄橙色之间有一种色光的突发间隔为1／89000英寸（即现今2854×10－10米），正好与现代波长值5710×10－10米相差一半！

　　《光学》第三篇是“拐折”（他认为光线被吸收）即衍射、双折射实验和他的31个疑问。这些衍射实验包括头发丝、刀片、尖劈形单缝形成的单色窄光束“光带”（今称衍射图样）等10多个实验。牛顿已经走到了重大发现的大门口却失之交臂。他的31个疑问极具启发性，说明牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先作绝对的肯定。牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流，即由光源发出的速度、大小不同的一群粒子，在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性。由于当时波动说还解释不了光的直进，他是倾向于粒子说的，但他认为粒子与波都是假定。他甚至认为以太的存在也是没有根据的。

　　在流体力学方面，牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比，这种阻力与液体各部分之间的分离速度成正比，符合这种规律的（如、空气与水）称为牛顿流体。

　　在热学方面，牛顿的冷却定律为：当物体表面与周围形成温差时，单位时间单位面积上散失的热量与这一温差成正比。

　　在声学方面，他指出声速与大气压强平方根成正比，与密度平方根成反比。他原来把声传播作为等温过程对待，后来P.S.拉普拉斯纠正为绝热过程。

　　（3）牛顿的哲学思想和科学方法

　　牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模的物理学方法论体系，给物理学及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响。这里只简略勾画一些轮廓。

　　牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开的，一切自然现象他都力图以力学观点加以解释，这就形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义，同时也导致了机械论的盛行。事实上牛顿把一切化学、热、电等现象都看作“与吸引或排斥力有关的事物”。

　　这种机械观，即把一切的物质运动形式都归为机械运动的观点，把解释机械运动问题所必需的绝对时空观、原子论、由初始条件可以决定以后任何时刻运动状态的机械决定论、事物发展的因果律等等，作为整个物理学的通用思考模式。可以认为牛顿是开始比较完整地建立物理因果关系体系的第一人，而因果关系正是经典物理学的基石。

　　牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿《原理》一书中集中体现了以下几种科学方法：

　　①实验──理论──应用的方法。科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。

　　②分析──综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。一般地说从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性”。

　　③归纳──演绎方法。上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。

　　④物理──数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。牛顿把他的书称为《自然哲学的数学原理》正好说明这一点。

　　牛顿的哲学思想和方法论体系被爱因斯坦赞为“理论物理学领域中每一工作者的纲领”。这是一个指引着一代又一代科学工作者前进的开放的纲领。但牛顿的哲学思想和方法论不可避免地有着明显的时代局限性和不彻底性。牛顿当时只对物质最简单的机械运动作了初步系统研究，并且把时空、物质绝对化，企图把粒子说外推到一切领域（如连他自己也不能解释他所发现的“牛顿环”），这些都是他的致命伤。牛顿在看到事物的“第一原因”“不一定是机械的”时，提出了“这些事情都是这样地井井有条……是否好像有一位……无所不在的上帝”的问题，并长期转到神学的“科学”研究中，费了大量精力。但是牛顿的历史局限性和他的历史成就一样，都是启迪后人不断前进的教材。

　　我尊敬的中国古代科学家

　　--------张衡

　　从古至今，在中国的历史上出现了无数伟大的科学家，他们不断思考，从生活的点点滴滴中发现问题并努力的探索，寻求奥秘，从而发现了真理。是科学家让人类文明得到了进步，让社会向更高的层次进一步发展。可以说我们今天的幸福生活是科学家创造出来的。

　　在古代，我国就有很多伟大的科学家，像战国的墨子、南北朝的祖冲之、宋朝的沈括等等。在这里我要介绍的是我最尊敬的一位科学家，他就是战国时期的张衡。

　　在东汉时期，也就是距今约一千八百多年前（公元117年），一台利用水力推动自动运转的大型天文仪器――“水运浑象”（连接到科学里程碑漏水转浑天仪）在东汉的京都洛阳制造成功了。仅仅相隔了二十年（公元138年），安置在京都洛阳的又一台仪器――“候风地动仪”准确地报告了西方千里之外发生的地震。这标志着人类开始了用仪器记录研究地震的新纪元。这两台著名仪器的发明者就是我国伟大的科学家、天文学家张衡。张衡对中国古代的天文学、地震学和机械力学作出了杰出的贡献。传说他还制造过指南车、记里鼓车等，因其机械制造水平很高，被尊称为“木圣”。

　　张衡，字平子，章帝建初三年（公元78年），诞生于南阳郡西鄂县石桥镇（今河南省南阳市城北五十里）一个破落的官僚家庭。“自古英才多贫贱，从来纨绔少伟男”，正是这种贫困的生活对他的成长起到了很好的作用。当时的南阳是经济和文化都很发达的地区，有“南都”之称。张衡在这样的环境熏陶下，加上他自幼刻苦好学，在青少年时代就已经为后来从事文学和科学事业打下了良好的基础。

　　汉朝时，关于天体运动和宇宙结构的学说已经出现了三种：盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说创立最早，它认为天在上，地在下，天象一个半圆形的罩子，大地是平的，或者象一个倒扣着的盘子。浑天说主张天是浑圆的，日月星辰会转入地下。至于大地早期的浑天说认为大地是平的，东汉三国时期的陆绩（公元187－219年）等进一步提出了大地是球形的概念，使浑天学说臻于完备。宣夜说却认为天没有一定的形状，而是无边无际的充满气体的空间，日、月、五星（金、木、水、火、土五大行星）等都飘浮在气体中。

　　张衡根据自己对天体运行规律的认识和实际观察，认真研究了这三种学说，认为浑天说比较符合观测的实际。他继承和发展了前人的浑天理论，在西汉耿寿昌发明的浑天仪的基础上创制了一个能够精确在表演浑天思想的“浑天仪”。他精通天文、历算，具有很强的革新思想，先后写出了《灵宪》、《灵宪图》、《浑天仪图注》等天文学著作，成为东汉中期浑天学说的代表人物之一。

　　张衡在科学、天学方面取得的成就还在于他敢和迷信作战，通过事实证明自己。当时的东汉封建统治者为了加强他们的统治地位，把谶纬神学作为正统思想，强迫人们信奉。“谶纬”是以封建迷信来解释经书典籍，穿凿附会、用来预卜吉凶的一种学说。它的基本思想是宣扬“王权神授”、“天人感应”等唯心思想，所以很受统治者推崇，被尊为朝章国典。这些腐朽的唯心主义思想理所当然地受到了当时一些进步的思想家如扬雄、桓谭、王充等人的坚决反对。之后张衡也积极投入到了反谶纬神学的斗争。安帝延光二年（公元123年），一场关于历法的大辩论掀起了：梁丰等人借口当时实行的四分历不合图谶，提出废除四分历，恢复太初历。四分历源于太初历，是对旧历在根据天体运行的实测资料修改后得来的，自章帝元和二年（公元85年）开始使用，是当时比较精密的历法。张衡和另一天文学家周兴坚决反对恢复古历。他们根据自己多年对天象的观测，对各种历法作了深入的研究、比较，认为四分历比较精密。在辩论中他们所就观测到的现象以及这些现象产生的原因进行了深入的讲解，驳得梁丰等人张口结舌，“或不对，或言失误”，终于使四分历得以继续沿用。这是我国历法史上唯物主义对唯心主义斗争的一个胜利

　　张衡一生为我国的科学文化事业做出了卓越的贡献，是我国古代伟大的科学家之一。他谦虚谨慎、勤学不倦，在所从事的事业中表现出了一丝不苟、精益求精、不畏强权、勇于进取的高尚精神。作为新时代的主人，我们应该学习张衡的精神，敢于发现，善于探索，用唯物的观念看待一切。我们还应该学会勤奋，善于思考，当面对问题时敢于克服，坚持不懈地找到答案，只有这样我们才会进步，才会在人生的舞台上大放光彩。