名人
科學家
艾薩克·牛頓是曾出現過的最偉大、最有影響的科學家。他於 1642年聖誕節出生在英格蘭伍爾斯索蒲村，這一年正值伽利略與世長辭。和穆罕默德一樣，牛頓也是一個遺腹子。童年時代的牛頓就顯示出巨大的力學天賦。他有一雙非常靈巧的小手。他聰明伶俐，但對功課卻總是粗心大意，在學校並未引起特別的重視。十幾歲時，母親讓他輟學，希望他能成為一位象樣的農民。幸虧他的母親被說服了，她相信了兒子的主要天賦不在於務農，而是另有所為。十八歲的牛頓進入劍橋大學後，迅速地掌握了當時的科學和數學知識，很快就開始進行獨立的研究工作。他在21到27歲期間為科學理論奠定了基礎，使隨後的世界發生了革命性的變化。
十七世紀中期是一個科學鼎盛的時期，該世紀初期望遠鏡的發明，使天文學的研究發生了徹底的革命。英國哲學家弗朗西斯·培根和法國哲學家勒內·笛卡爾都極力勸告所有歐洲的科學家，再不要依賴亞里士多德的權威，而要親自做觀察和實驗。培根和笛卡爾的倡導為偉大的伽俐略所實踐。他用新發明的望遠鏡所做的天文觀測給天文學帶來了革命，他的力學試驗建立了現在人稱的牛頓第一運動定律。
其他偉大的科學家，如發現血液循環的威廉·哈維和發現行星繞日運動定律的約翰尼斯·克卜勒都為科學領域提供了新的基本知識，而且純科學成了知識分子的一種消遣，但還無法證明弗朗西斯·培根的預言：當科學被運用到技術領域時，就會使人類的全部生活方式發生革命。
雖然哥白尼和伽俐略澄清了古代科學中的一些錯誤觀念，為人類更好地了解宇宙作出了貢獻，但是還沒有一套系統的定律來把這些似乎是互不相干的發現變成可以做科學預測的統一學說。是艾薩克·牛頓提出了這種統一的學說，從而使現代科學進入了它一直所遵循的航程。
牛頓一般不願意發表他的研究成果。早在1669年他就在他的大多數著作里對基本概念作了系統的闡述，但是他的許多學說卻在很久以後才公開發表出來。他公布的第一個發現是有關光的性質的一項突破性的貢獻。牛頓經過一系列認真的試驗，發現普通光是彩虹所有的不同色光的混合光。他還對光的反射和折射定律的結果做了認真的分析，根據這兩個定律，1668年他設計並真正製造出了第一台反射望遠鏡，如今大多數天文台都使用這類望遠鏡。牛頓29歲時把他的這些發現及其許多其他光學試驗結果呈交給英國皇家學會。
僅就光學方面的成就或許就可以使他在本書中占有一席之地，但是他在這方面的成就比起他在數學或力學方面的成就來，那就相形見絀了。他對數學的貢獻主要是發明了積分，這一成就可能是他在二十三、四歲時做出的，這一發明是當代數學中最偉大的成就，它不僅僅是許多現今數學學說產生的種子，而且也是必不可少的重要工具，沒有這一工具現代科學在隨後就不會取得進展。如果牛頓僅僅發明了積分而別無所獲，也可以使他在本冊中排到相當高的名次。
但是牛頓最重要的發現是在力學方面，力學是研究物體運動的科學。伽俐略發明了第一運動定律，這一定律描述在沒有外力的作用下物體運動的情形。當然在現實中所有的物體都受外力作用，力學中最重要的問題是這種情況下物體怎樣運動。牛頓提出的最著名的第二運動定律，解決了這個問題，這一定律可能被理所當然地視為經典物理學中最基本的定律。他的第二定律（其數學表達式為F＝ma）可表述為：物體運動的加速度（即速度變化率），與作用在該物體上的合力成正比，與物體的質量成反比。除了這兩個定律外，牛頓又提出了著名的第三運動定律（這定律可表述為，有作用力即外力就必然有反作用力，且兩者大小相等方向相反）和他的科學定律中最著名的定律──萬有引力定律。這四條定律一起構成一個統一的體系，實際上所有的巨觀力學體系都可以利用這一體系來加以研究和預測，從單擺的振動到行星繞日在其軌道上運動都用得上。牛頓不僅提出了這些力學定律，而且還利用積分這一數學工具說明了如何利用這些基本定律來解決實際問題。
牛頓定律可以而且已被用來解決極其廣泛的科學和工程學方面的問題。牛頓在世時，他的定律的最有戲劇性的套用是在天文學領域裡。他在這個領域裡也處於領先地位。1687年發表了他的偉大著作《自然哲學的數學原理》（人們通常只稱作《原理》），在該書中他提出了萬有引力定律和運動定律，並說明如何利用這些定律來準確預測行星繞日的運動。牛頓的這一壯舉圓滿地解決了動力天文學的主要問題，即準確預測星體和行星的位置和運動。因此牛頓常被認為是所有的天文學家之魁。
應該怎樣評價牛頓在科學中的重要地位呢？如果我們翻閱一部科學百科全書的索引，就會看到提到牛頓及其定律和發現的條目比任何其他一個科學家都要多（也許多二到三倍）。況且我們還要考慮其他偉大的科學家對牛頓的評價。萊布尼茲決不是牛頓的朋友而是與他進行過唇槍齒劍之爭的對手，他寫道：“從有世以來，到牛頓所處的時代，他在數學領域所做的工作占了整個的絕大部分。”偉大的德國科學家拉普拉斯寫道：“《原理》一書比任何其他天才的作品都出類拔革。”拉格朗日常說牛頓是曾經出現過的最偉大的天才。厄恩斯特·馬赫在1901年寫道：“自從牛頓時代以來所取得的一切成就都是牛頓力學在演繹上、形式上和數學上的進展。”這也許說出了牛頓的偉大成就的關鍵所在：他發現科學是一門由孤立的事實和定律構成的雜學，它能描述一些現象，但只能預測幾種現象，他為我們留下了一個統一的定律體系，這個體系能解釋大量的物理現象，能用來做準確的預測。
由於篇幅有限，不能把牛頓所有的發明都一一包羅進來，因此他的小發明就其本身來看雖然也是重要的成就，但這裡只好忽略不提了。牛頓對熱力學（對熱的研究）和聲學（對聲的研究）都作出了重大的貢獻：他提出了極其重要的物理學定律：動量守恆定律和角動量守恆定律；他發現了數學中的二項式定理；他第一次對星體起源作出了令人信服的解釋。
現在讀者雖然會認定牛頓是曾出現過的最偉大、最有影響的科學家，但是仍然會提出為什麼把牛頓排在如亞歷山大大帝和華盛頓這樣重大的政治人物以及如耶穌·基督和喬達摩·佛倫這樣重大的宗教人物之前呢？我自己的觀點是：儘管政治變化是重大的，但仍有理由認為在亞歷山大之死前後1000年間的大多數生活方式並沒有發生變化。同樣，就主要的日常活動而論，大多數人在公元前後3000年間的生活方式也沒有發生變化。但是在過去的500年中，隨著現代科學的出現，大多數人的日常生活發生了徹底的變化。但是與1500年的人們相比，我們的吃喝穿戴有了變化，我們的娛樂活動也有了很大的改觀。科學發現不僅僅使技術和經濟發生了革命，而且使政治、宗教思想、藝術和哲學發生了徹底的變化。科學革命使人類所有的活動方式均有變化。正因為如此，許多科學家和發明家才被列入本冊。牛頓不僅僅是無與倫比的科學家，而且是科學理論發展中最有影響的人物，因此在任何一部世界上最有影響的人物冊上，他名列前茅是當之無愧的。
1727年，牛頓這顆巨星隕落了，他安葬在西敏寺大教堂①，是被賜予這種榮譽的第一位科學家。
注釋：①西敏寺大教堂：位於西敏寺的哥德式建築。10世紀仟海王愛德華所建，此後曾重建多次。歷代君主的加冕儀式皆在此舉行，內有許多君主、政治家、軍人、詩人等的墓。
牛頓的貢獻：
1.以牛頓三大運動定律為基礎建立牛頓力學。
2.發現萬有引力定律。
3.建立行星定律理論的基礎。
4.致力於三菱鏡色散之研究並發明反射式望遠鏡。
5.發現數學的二項式定理及微積分法等。
6.近代原子理論的起源。
在力學方面，牛頓總結出機械運動的三個基本定律，並獨立發現了萬有引力定律。他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，創立了經典力學體系。
在光學方面，牛頓曾致力於色的現象和光的本性的研究。 1666年他用三稜鏡分析日光，發現白光是由不同顏色的光構成的，成為光譜分析的基礎。他創立了光的“微粒說”。
在數學方面，牛頓提出了“流數法”，建立了二項式定理，並和萊布尼茨同時創立了微積分學，開闢了數學史上的一個新紀元。
在天文學方面，牛頓於1671年創製了反射望遠鏡，初步考察了行星運動規律。他解釋了潮汐現象，預言地球不是正球體。
牛頓1643年1月4日（儒略曆1642年12月25日）誕生於英格蘭東部小鎮烏爾斯索普一個自耕農家庭。出生前八九個月父死於肺炎。自小瘦弱，孤僻而倔強。3歲時母親改嫁，由外祖母撫養。11歲時繼父去世，母親又帶3個弟妹回家務農。在不幸的家庭生活中，牛頓國小時成績較差，“除設計機械外沒顯出才華”。
牛頓自小熱愛自然，喜歡動腦動手。8歲時積攢零錢買了錘、鋸來做手工，他特別喜歡刻制日晷，利用圓盤上小棍的投影顯示時刻。傳說他家裡牆角、窗台上到處都有他刻劃的日晷，他還做了一個日晷放在村中央，被人稱為“牛頓鍾”，一直用到牛頓死後好幾年。他還做過帶踏板的腳踏車；用小木桶做過滴漏水鍾；放過自做的帶小燈籠的風箏（人們以為是彗星出現）；用小老鼠當動力做了一架磨坊的模型，等等。他觀察自然最生動的例子是15歲時做的第一次實驗：為了計算風力和風速，他選擇狂風時做順風跳躍和逆風跳躍，再量出兩次跳躍的距離差。牛頓在格蘭瑟姆中學讀書時，曾寄住在格蘭瑟姆鎮克拉克藥店，這裡更培養了他的科學實驗習慣，因為當時的藥店就是一所化學實驗室。牛頓在自己的筆記中，將自然現象分類整理，包括顏色調配、時鐘、天文、幾何問題等等。這些靈活的學習方法，都為他後來的創造打下了良好基礎。 牛頓曾因家貧停學務農，在這段時間裡，他利用一切時間自學。放羊、購物、農閒時，他都手不釋卷，甚至羊吃了別人莊稼，他也不知道。他舅父是一個神父，有一次發現牛頓看的是數學，便支持他繼續上學。1661年6月考人劍橋大學三一學院。作為領取補助金的“減費生”，他必須擔負侍候某些富家子弟的任務。三一學院的巴羅（Isaac Barrow， 1630～1677）教授是當時改革教育方式主持自然科學新講座（盧卡斯講座）的第一任教授，被稱為“歐洲最優秀的學者”，對牛頓特別垂青，引導他讀了許多前人的優秀著作。1664年牛頓經考試被選為巴羅的助手，1665年大學畢業。
在1665～1666年，倫敦流行鼠疫的兩年間，牛頓回到家鄉。這兩年牛頓才華橫溢，作出了多項發明。1667年重返劍橋大學，1668年7月獲碩士學位。1669年巴羅推薦26歲的牛頓繼任盧卡斯講座教授，1672年成為皇家學會會員，1703年成為皇家學會終身會長。1699年就任造幣局局長，1701年他辭去劍橋大學工作，因改革幣制有功，1705年被封為爵士。1727年牛頓逝世於肯辛頓，遺體葬於威斯敏斯特教堂。
牛頓的偉大成就與他的刻苦和勤奮是分不開的。他的助手H.牛頓說過，“他很少在兩、三點前睡覺，有時一直工作到五、六點。春天和秋天經常五、六個星期住在實驗室，直到完成實驗。”他有一種長期堅持不懈集中精力透徹解決某一問題的習慣。他回答人們關於他洞察事物有何訣竅時說：“不斷地沉思”。這正是他的主要特點。對此有許多故事流傳：他年幼時，曾一面牽牛上山，一面看書，到家後才發覺手裡只有一根繩；看書時定時煮雞蛋結果將表和雞蛋一齊煮在鍋里；有一次，他請朋友到家中吃飯，自己卻在實驗室廢寢忘食地工作，再三催促仍不出來，當朋友把一隻雞吃完，留下一堆骨頭在盤中走了以後，牛頓才想起這事，可他看到盤中的骨頭後又恍然大悟地說：“我還以為沒有吃飯，原來我早已吃過了”。
牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整：“牛頓由於發明了萬有引力定律而創立了科學的天文學，由於進行了光的分解而創立了科學的光學，由於創立了二項式定理和無限理論而創立了科學的數學，由於認識了力的本性而創立了科學的力學”。（牛頓在建立萬有引力定律及經典力學方面的成就詳見本手冊相關條目），這裡著重從數學、光學、哲學（方法論）等方面的成就作一些介紹。
（1）牛頓的數學成就
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；儘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。牛頓利甩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”。
（2）牛頓在光學上的成就
牛頓的《光學》是他的另一本科學經典著作（1704年）。該書用標副標題是“關於光的反射、折射、拐折和顏色的論文”，集中反映了他的光學成就。
第一篇是幾何光學和顏色理論（稜鏡光譜實驗）。從1663年起，他開始磨製透鏡和自製望遠鏡。在他送交皇家學會的信中報告說：“我在1666年初做了一個三角形的玻璃稜鏡，以便試驗那著名的顏色現象。為此，我弄暗我的房間……”接著詳細敘述了他開小孔、引陽光進行的稜鏡色散實驗。關於光的顏色理論從亞里士多德到笛卡兒都認為白光純潔均勻，乃是光的本色。“色光乃是白光的變種。牛頓細緻地注意到陽光不是像過去人們所說的五色而是在紅、黃、綠、藍、紫色之間還有橙、靛青等中間色共七色。奇怪的還有稜鏡分光後形成的不是圓形而是長條橢圓形，接著他又試驗“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“將稜鏡放在外邊”再通過孔、“玻璃的不平或偶然不規則”等的影響；用兩個稜鏡正倒放置以“消除第一稜鏡的效應”； 取“來自太陽不同部分的光線，看其不同的入射方向會產生什麼樣的影響”；並“計算各色光線的折射率”，“觀察光線經稜鏡後會不會沿曲線運動”；最後才做了“判決性試驗”：在稜鏡所形成的彩色帶中通過螢幕上的小孔取出單色光，再投射到第二稜鏡後，得出核色光的折射率（當時叫“折射程度”），這樣就得出“白光本身是由折射程度不同的各種彩色光所組成的非勻勻的混合體”。這個驚人的結論推翻了前人的學說，是牛頓細緻觀察和多項反覆實驗與思考的結果。 在研究這個問題的過程中，牛頓還肯定：不管是伽利略望遠鏡（凹、凸）還是克卜勒望遠鏡（兩個凸透鏡），其結構本身都無法避免物鏡色散引起起的色差。他發現經過仔細研磨後的金屬反射鏡面作為物鏡可放大 30～40倍。1671年他將此鏡送皇家學會保存，至今的巨型天文望遠鏡仍用牛頓式的基本結構。牛頓磨製及拋光精密光學鏡面的方法，至今仍是不少工廠光學加工的主要手段。
《光學》第二篇描述了光照射到疊放的凸透鏡和平面玻璃上的“牛頓環”現象的各種實驗。除產生環的原因他沒有涉及外，他作了現代實驗所能想到的一切實驗，並作了精確測量。他把干涉現象解釋為光行進中的“突發”或“切合”，即周期性的時而突然“易於反射”，時而“易於透射”，他甚至測出這種等間隔的大小，如黃橙色之間有一種色光的突發間隔為 1／89 000英寸（即現今 2 854×10-10米），正好與現代波長值5 710×10-10米相差一半！
《光學》第三篇是“拐折”（他認為光線被吸收）即衍射、雙折射實驗和他的31個疑問。這些衍射實驗包括頭髮絲、刀片、尖劈形單縫形成的單色窄光束“光帶”（今稱衍射圖樣）等10多個實驗。牛頓已經走到了重大發現的大門口卻失之交臂。他的31個疑問極具啟發性，說明牛頓在實驗事實和物理思想成熟前並不先作絕對的肯定。牛頓在《光學》一、二篇中視光為物質流，即由光源發出的速度、大小不同的一群粒子，在雙折射中他假設這些光粒子有方向性且各向異性。由於當時波動說還解釋不了光的直進，他是傾向於粒子說的，但他認為粒子與波都是假定。他甚至認為以太的存在也是沒有根據的。
在流體力學方面，牛頓指出流體粘性阻力與剪下率成正比，這種阻力與液體各部分之間的分離速度成正比，符合這種規律的（如、空氣與水）稱為牛頓流體。 在熱學方面，牛頓的冷卻定律為：當物體表面與周圍形成溫差時，單位時間單位面積上散失的熱量與這一溫差成正比。
在聲學方面，他指出聲速與大氣壓強平方根成正比，與密度平方根成反比。他原來把聲傳播作為等溫過程對待，後來 P.S.拉普拉斯糾正為絕熱過程。
（3）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。這裡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”；火藥爆炸也是硫磺、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係體系的第一人，而因果關係正是經典物理學的基石。 牛頓在科學方法論上的貢獻正如他在物理學特別是力學中的貢獻一樣，不只是創立了某一種或兩種新方法，而是形成了一套研究事物的方法論體系，提出了幾條方法論原理。在牛頓《原理》一書中集中體現了以下幾種科學方法：
①實驗——理論——套用的方法。牛頓在《原理》序言中說：“哲學的全部任務看來就在於從各種運動現象來研究各種自然之力，而後用這些方去論證其他的現象。”科學史家 I.B.Cohen正確地指出，牛頓“主要是將實際世界與其簡化數學表示反覆加以比較”。牛頓是從事實驗和歸納實際材料的巨匠，也是將其理論套用於天體、流體、引力等實際問題的能手。
②分析——綜合方法。分析是從整體到部分（如微分、原子觀點），綜合是從部分到整體（如積分，也包括天與地的綜合、三條運動定律的建立等）。牛頓在《原理》中說過：“在自然科學裡，應該像在數學裡一樣，在研究困難的事物時，總是應當先用分析的方法，然後才用綜合的方法……。一般地說，從結果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到最普遍的原因為止，這就是分析的方法；而綜合的方法則假定原因已找到，並且已經把它們定為原理，再用這些原理去解釋由它們發生的現象，並證明這些解釋的正確性”。 ③歸納——演繹方法。上述分析一綜合法與歸納一演繹法是相互結合的。牛頓從觀察和實驗出發。“用歸納法去從中作出普通的結論”，即得到概念和規律，然後用演繹法推演出種種結論，再通過實驗加以檢驗、解釋和預測，這些預言的大部分都在後來得到證實。當時牛頓表述的定律他稱為公理，即表明由歸納法得出的普遍結論，又可用演繹法去推演出其他結論。 ④物理——數學方法。牛頓將物理學範圍中的概念和定律都“儘量用數學演出”。愛因斯坦說：“牛頓才第一個成功地找到了一個用公式清楚表述的基礎，從這個基礎出發他用數學的思維，邏輯地、定量地演繹出範圍很廣的現象並且同經驗相符合”，“只有微分定律的形式才能完全滿足近代物理學家對因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛頓最偉大的理智成就之一”。牛頓把他的書稱為《自然哲學的數學原理》正好說明這一點。
牛頓的方法論原理集中表述在《原理》第三篇“哲學中的推理法則”中的四條法則中，此處不再轉引。概括起來，可以稱之為簡單性原理（法則1），因果性原理（法則2），普遍性原理（法則3），否證法原理（法則4，無反例證明者即成立）。有人還主張把牛頓在下一段話的思想稱之為結構性原理：“自然哲學的目的在於發現自然界的結構的作用，並且儘可能把它們歸結為一些普遍的法規和一般的定律——用觀察和實驗來建立這些法則，從而導出事物的原因和結果”。
牛頓的哲學思想和方法論體系被愛因斯坦贊為“理論物理學領域中每一工作者的綱領”。這是一個指引著一代一代科學工作者前進的開放的綱領。但牛頓的哲學思想和方法論不可避免地有著明顯的時代局限性和不徹底性，這是科學處於幼年時代的最高成就。牛頓當時只對物質最簡單的機械運動作了初步系統研究，並且把時空、物質絕對化，企圖把粒子說外推到一切領域（如連他自己也不能解釋他所發現的“牛頓環”），這些都是他的致命傷。牛頓在看到事物的“第一原因”“不一定是機械的”時，提出了“這些事情都是這樣地井井有條……是否好像有一位……無所不在的上帝”的問題，（《光學》，疑問29），並長期轉到神學的“科學”研究中，費了大量精力。但是，牛頓的歷史局限性和他的歷史成就一樣，都是啟迪後人不斷前進的教材。
