Newton nació el 4 de octubre de 1643 65438 + 25 de febrero (calendario juliano 1642 65438 + 25 de febrero) en una familia de terratenientes en Ullsthorpe, un pequeño pueblo del este de Inglaterra. Mi padre murió de neumonía ocho o nueve meses antes de nacer. Ha sido delgado, retraído y testarudo desde pequeño. Cuando tenía 3 años, su madre se volvió a casar y su abuela lo crió. Cuando tenía 11 años, su padrastro falleció y su madre llevó a sus tres hermanos menores a casa para trabajar en la granja. En una desafortunada vida familiar, las notas de Newton en la escuela primaria fueron muy malas. "No mostró ningún talento excepto el de diseñar maquinaria".
Newton amaba la naturaleza desde que era niño y le gustaba usar la cabeza y las manos. . Cuando tenía 8 años, ahorró su cambio para comprarse un martillo y una sierra para realizar trabajos manuales. Le gustaba especialmente tallar relojes de sol y utilizar la proyección del palo en el reloj de sol para mostrar la hora. Cuenta la leyenda que hay relojes de sol tallados por él en todas partes de las paredes y alféizares de su casa. También hizo un reloj de sol, que colocó en el centro del pueblo y se conoció como "Reloj de Newton", que se utilizó durante varios años después de la muerte de Newton. También hizo una bicicleta con pedales; usó un pequeño barril de madera para hacer un reloj goteante; voló una cometa casera con una pequeña linterna (la gente creía que apareció un cometa como modelo de un molino impulsado por un pequeño ratón), etc. El ejemplo más vívido de su observación de la naturaleza es su primer experimento a la edad de 15 años: para calcular la potencia y la velocidad del viento, eligió saltar con el viento y contra el viento cuando el viento era fuerte, y luego midió la distancia. diferencia entre los dos saltos. Cuando Newton era estudiante en Grantham High School, se quedó en la farmacia Clark's en Grantham Town, lo que cultivó su hábito de realizar experimentos científicos, porque la farmacia en ese momento era un laboratorio de química. Newton organizó los fenómenos naturales en sus notas, incluida la combinación de colores, relojes, astronomía, geometría, etc. Estos métodos de aprendizaje flexibles sentaron una buena base para sus creaciones posteriores. Newton una vez dejó de estudiar y cultivar debido a su familia pobre. Durante este período, pasó todo su tiempo estudiando solo. No podía dejar de pastorear ovejas, ir de compras o cultivar. Ni siquiera sabía que las ovejas se habían comido las cosechas de otras personas. Su tío, un sacerdote, descubrió una vez que Newton estaba estudiando matemáticas y lo apoyó para que continuara sus estudios. Admitido en el Trinity College de la Universidad de Cambridge en junio de 1661. Como "estudiante con matrícula reducida" que recibe subsidios, debe asumir la tarea de ayudar a algunos niños ricos. El profesor Isaac Barrow (1630 ~ 1677) del Trinity College fue el primer profesor en impartir una nueva conferencia sobre ciencias naturales (Lucas Lecture) mediante la reforma del modelo educativo. Conocido como "el mejor erudito de Europa", sentía un especial cariño por Newton, lo que le llevó a leer muchas obras excelentes de sus predecesores. Newton fue elegido asistente de Barrow en 1664 y se graduó de la universidad en 1665.
De 1665 a 1666, durante los dos años en que la peste prevaleció en Londres, Newton regresó a su ciudad natal. Newton tenía mucho talento e hizo muchos inventos en estos dos años. Regresó a la Universidad de Cambridge en 1667 y recibió su maestría en julio de 1668. En 1669, Barrow recomendó a Newton, de 26 años, para suceder al profesor Lucas. Se convirtió en miembro de la Royal Society en 1672 y en presidente vitalicio de la Royal Society en 1703. En 1699 fue nombrado director de la Casa de la Moneda. En 1701 dimitió de la Universidad de Cambridge. Fue nombrado caballero en 1705 por su contribución a la reforma del sistema monetario. Newton murió en Kensington en 1727 y fue enterrado en la Abadía de Westminster.
Los grandes logros de Newton son inseparables de su arduo trabajo y diligencia. Su asistente H. Newton dijo: "Raramente se acuesta antes de las dos o tres de la tarde y, a veces, trabaja hasta las cinco o las seis. A menudo vivo en el laboratorio durante cinco o seis semanas en primavera y otoño hasta el experimento. "Tiene la costumbre de persistir durante mucho tiempo y concentrarse en resolver un problema por completo. En respuesta a las preguntas de la gente sobre su visión de las cosas, dijo: "Sigan pensando". Ésta es su principal característica. Hay muchas historias sobre esto: cuando era joven, una vez llevó una vaca a la montaña mientras leía, solo para descubrir que solo tenía una cuerda en la mano cuando llegó a casa, hervir huevos regularmente mientras leía causaba el reloj y; los huevos a hervir juntos en la olla; una vez invitó a un amigo a cenar a su casa, pero estaba trabajando en el laboratorio y se olvidó por completo de la comida y el sueño. A pesar de las repetidas insistencias, todavía no salía. Cuando un amigo terminó de comer un pollo y quedó un montón de huesos en el plato, Newton lo recordó, pero después de ver los huesos en el plato, de repente dijo: "Pensé que no me lo había comido, así que ya lo he comido". se lo ha comido."
”
Los logros de Newton fueron resumidos de manera más completa por Engels en Inglaterra en el siglo XVIII: “Newton fundó la astronomía científica porque inventó la ley de la gravitación universal, fundó la óptica científica porque descompuso la luz y fundó la ciencia. la óptica porque inventó la ley de la gravitación universal. Las matemáticas científicas se fundaron en el teorema del binomio y la teoría infinita, y la mecánica científica se fundó en la comprensión de la naturaleza de la fuerza (para obtener detalles sobre los logros de Newton al establecer la ley de la gravitación universal y la mecánica clásica). , consulte las entradas relevantes en este manual). Aquí nos centramos en matemáticas, Logros en óptica y filosofía (metodología)
(1) Los logros matemáticos de Newton
Desde el siglo XVII, La geometría y el álgebra primitivos han sido difíciles de resolver en la producción y las ciencias naturales en ese momento. Surgieron muchas preguntas nuevas, tales como: ¿Cómo encontrar la velocidad y aceleración instantáneas de un objeto? ¿Cómo encontrar la tangente de una curva y la longitud de? la curva (distancia planetaria), el área barrida por el vector diámetro, valores mínimos (como perihelio, afelio, alcance máximo, etc.), volumen, centro de gravedad, gravedad, etc., aunque Newton había logrado logros en; logaritmos, geometría analítica, series infinitas, etc., no pudo resolver estos problemas de manera satisfactoria o universal en ese momento. La mayor influencia de Newton fue la "Geometría" de Descartes y la "Aritmética Infinita" de Wallis. Newton unificó varios métodos especiales para resolver problemas infinitesimales desde la antigüedad. Grecia en dos tipos: cálculo directo (diferencial) y cálculo contracorriente (integral). Este algoritmo se materializa en la aplicación de ecuaciones polinomiales infinitas en 1669, la aplicación de cálculo de flujo y series infinitas en 1671, y la aplicación de series infinitas en 1676. El llamado "flujo" es la variable independiente que cambia con el tiempo, como X, Y, S y U, etc. El "número de flujo" es la tasa de cambio del flujo, es decir, la tasa de cambio. , escritura, etc. Hay una diferencia entre la "tasa diferencial" y la "tasa variable", dijo al mismo tiempo, la publicó por primera vez en 1676. El teorema de expansión binomial de Newton descubrió otras series infinitas y las utilizó para calcular. áreas, integrar, resolver ecuaciones, etc. En 1684, Leibniz introdujo y extendió S como un símbolo del estudio de tangentes a curvas. Desde entonces, el cálculo fundado por Newton se ha popularizado rápidamente en los países continentales. p>La aparición del cálculo se ha convertido en otra rama importante en el desarrollo de las matemáticas: el análisis matemático (llamado por Newton (análisis mediante el método de ecuaciones polinómicas infinitas), y luego se desarrolló en geometría diferencial, ecuaciones diferenciales, métodos variacionales, etc.). ., que contribuyó aún más al desarrollo de la física teórica. Por ejemplo, J. Bernoulli de Suiza encontró la solución de la curva descendente más pronunciada; este es el problema inicial del cálculo de variaciones. Ningún matemático en Europa pudo resolverlo en medio siglo. En 1697, Newton se enteró por casualidad un día y lo resolvió de una sola vez esa noche. Bernoulli se sorprendió al verlo publicado de forma anónima en el Journal of Philosophy. Dijo: “Reconocí al león por sus garras. "
(2) Los logros de Newton en óptica
La Óptica de Newton es otro clásico de la ciencia (1704). El subtítulo del libro es "Sobre la reflexión, refracción y curvatura de la luz". "Tesis sobre el color y el color" refleja sus logros ópticos.
El primero es la óptica geométrica y la teoría del color (experimento del espectro prismático). A partir de 1663, comenzó a pulir lentes y a fabricar su propio telescopio. documento a la Royal Society La carta decía: "Hice un prisma de vidrio triangular a principios de 1666 para probar el famoso fenómeno del color. Para ello, oscurecí la habitación..." Luego describió en detalle sus experimentos sobre la dispersión prismática abriendo pequeños agujeros para introducir la luz solar. La teoría del color de la luz, desde Aristóteles hasta Descartes, sostenía que la luz blanca era pura y uniforme. es el verdadero color de la luz. “La luz de color es una variación de la luz blanca. Newton observó cuidadosamente que la luz del sol no son los cinco colores que la gente suele decir, sino siete colores entre rojo, amarillo, verde, azul y morado, así como colores intermedios como el naranja y el índigo. Curiosamente, el prisma no era redondo sino oblongo, y luego probó "secciones de vidrio con diferentes espesores", "ventanas de diferentes tamaños", "colocar el prisma afuera y luego pasarlo a través del agujero" y "vidrio irregular o ocasionalmente". efecto “irregular”. Coloque los dos prismas boca abajo para "eliminar la influencia del primer prisma"; tome "luz de diferentes partes del sol y vea qué efecto tiene en diferentes direcciones incidentes" y "calcule el índice de refracción de la luz de cada color"; y "observar si la luz se moverá a lo largo de una curva después de pasar a través del prisma" y finalmente hizo un "experimento decisivo": la luz monocromática fue sacada de la banda de color formada por el prisma a través del pequeño agujero en la pantalla, y luego proyectada sobre el tercero En los dos prismas, se obtuvo el índice de refracción de la luz coloreada nuclear (llamado "índice de refracción" en ese momento), y se concluyó que "la luz blanca en sí es una mezcla no uniforme de luces de colores con diferentes índices de refracción."
Esta sorprendente conclusión anuló teorías anteriores y fue el resultado de la cuidadosa observación y el repetido pensamiento experimental de Newton. En el proceso de estudiar este problema, Newton también afirmó que ni el telescopio galileano (lente cóncava o lente convexa) ni el telescopio Kepler (dos lentes convexas) podían evitar la aberración cromática provocada por la dispersión de la lente del objetivo. Descubrió que un espejo de metal cuidadosamente pulido podía usarse como lente objetivo para aumentar de 30 a 40 veces. En 1671, envió el espejo a la Royal Society para su conservación. Hasta ahora, los telescopios astronómicos gigantes todavía utilizan la estructura básica newtoniana. El método de Newton para esmerilar y pulir espejos ópticos de precisión sigue siendo el principal medio de procesamiento óptico en muchas fábricas.
Óptica Parte II describe varios experimentos sobre el fenómeno de los anillos de Newton cuando la luz incide sobre lentes convexas apiladas y vidrio plano. Hizo todos los experimentos imaginables en los experimentos modernos y tomó medidas precisas, excepto el motivo de la creación del anillo. Explicó el fenómeno de interferencia como un "ráfaga" o "coincidencia" en la propagación de la luz, es decir, es periódica, a veces "fácil de reflejar" y a veces fácil de propagar. Incluso midió el tamaño de este intervalo igual. Por ejemplo, hay un intervalo de ráfaga de luz de color entre el amarillo y el naranja, que es 1/89000 de pulgada (es decir, el actual 2854 × 10-65438).
El tercer artículo sobre óptica es "Kink" (cree que la luz se absorbe), que es el experimento de difracción y birrefringencia y sus 31 preguntas. Estos experimentos de difracción incluyeron más de 10 experimentos, como mechones de cabello, cuchillas y divisiones agudas que formaban haces estrechos de "bandas de luz" monocromáticas (ahora llamadas patrones de difracción). Newton había llegado a las puertas de un descubrimiento trascendental, pero no lo alcanzó. Sus 31 preguntas son muy esclarecedoras y muestran que Newton no hizo afirmaciones absolutas antes de que maduraran los hechos experimentales y los pensamientos físicos. En los capítulos 1 y 2 de Óptica, Newton vio la luz como un flujo de materia, un conjunto de partículas de diferentes velocidades y tamaños emitidas por una fuente de luz. En la birrefringencia, supuso que estas partículas de luz eran direccionales y anisotrópicas. Como la teoría ondulatoria de aquella época no podía explicar el movimiento directo de la luz, optó por la teoría de las partículas, pero creía que tanto las partículas como las ondas eran hipotéticas. Incluso creía que la existencia del éter era infundada.
En mecánica de fluidos, Newton señaló que la resistencia viscosa de un fluido es proporcional a la velocidad de corte, y esta resistencia es proporcional a la velocidad de separación entre las partes del líquido. Los que obedecen esta ley (como el aire y el agua) se denominan fluidos newtonianos. En términos de calor, la ley de enfriamiento de Newton es: cuando se forma una diferencia de temperatura entre la superficie de un objeto y su entorno, el calor perdido por unidad de área por unidad de tiempo es proporcional a esta diferencia de temperatura.
En acústica, señaló que la velocidad del sonido es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la presión atmosférica e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad. Alguna vez consideró la propagación del sonido como un proceso isotérmico, pero más tarde P.S. Laplace la revisó y la convirtió en un proceso adiabático.
(3) La filosofía y el método científico de Newton.
Los grandes logros de Newton en la ciencia, sumados a su sencilla filosofía materialista y a un conjunto de sistemas de metodología física que han comenzado a tomar forma, han tenido un profundo impacto en el desarrollo de la física e incluso de todas las ciencias naturales. la revolución industrial en el siglo XVIII, y los cambios sociales y económicos y el desarrollo del materialismo mecánico han tenido un gran impacto. Aquí sólo se dibujan algunas líneas generales. Las opiniones filosóficas de Newton son inseparables de sus logros básicos en mecánica. Trató de explicar todos los fenómenos naturales desde la perspectiva de la mecánica, formando el materialismo espontáneo de Newton en la filosofía, que condujo al predominio del mecanicismo. De hecho, Newton consideraba todos los fenómenos, incluidos la química, el calor y la electricidad, como "cosas relacionadas con la atracción o la repulsión". Por ejemplo, primero explicó la afinidad química y describió la reacción de reemplazo químico como la competencia entre dos fuerzas gravitacionales; la consideró "calor generado por el movimiento o la fermentación" y también un proceso de colisión violenta, descomposición y exotérmico; expansión y otros procesos de azufre, carbono y otras partículas.
Esta visión mecánica, es decir, la visión de que todas las formas de movimiento material se clasifican como movimiento mecánico, adopta una visión absoluta del espacio y el tiempo, la teoría atómica y una máquina que puede determinar el estado de movimiento. en cualquier momento del futuro basándose en condiciones iniciales, determinismo, leyes de causa y efecto, etc. , son necesarios para explicar los problemas de movimiento mecánico como una forma general de pensar en toda la física. Se puede considerar que Newton fue el primero en establecer un sistema relativamente completo de causalidad física. La causalidad es la piedra angular de la física clásica. La contribución de Newton a la metodología científica, al igual que su contribución a la física, especialmente a la mecánica, no fue sólo la creación de uno o dos métodos nuevos, sino la formación de un sistema metodológico para estudiar las cosas y la formulación de varios principios metodológicos. En el principio de Newton, se incorporan los siguientes métodos científicos:
① Método de experimentación-teoría-aplicación.
Newton dijo en el prefacio de "Principia": "Toda la tarea de la filosofía parece ser estudiar las diversas fuerzas de la naturaleza a partir de diversos fenómenos de movimiento y luego utilizar estos aspectos para demostrar otros fenómenos". ) Newton señala con razón que "principalmente comparó repetidamente el mundo real con su representación matemática simplificada". Newton era un maestro en la realización de experimentos y en resumir materiales prácticos, y también era un experto en aplicar sus teorías a problemas prácticos como los cuerpos celestes, los fluidos y la gravedad.
②Análisis - método integral. El análisis es del todo a la parte (como el cálculo diferencial y la teoría atómica), y la síntesis es de la parte al todo (como la integral, incluida la síntesis del cielo y la tierra, el establecimiento de las tres leyes del movimiento, etc. .). Newton dijo en "Principia": "En las ciencias naturales, como en las matemáticas, al estudiar cosas difíciles siempre debemos utilizar primero el método analítico y luego el método sintético, partiendo generalmente de los efectos a las causas, de las causas particulares a las causas. causas comunes, hasta que se demuestren las más comunes. Este es el método de análisis, el método sintético supone que las causas han sido encontradas y han sido definidas como principios, para luego utilizar estos principios para explicar los fenómenos que ocurren y probar la corrección. de estas explicaciones. "③ Método de deducción inductiva. El método de análisis y síntesis mencionado anteriormente y el método de deducción inductiva se combinan entre sí. Newton comenzó con la observación y la experimentación. "Utilice la inducción para sacar conclusiones comunes a partir de ellos", es decir, obtenga conceptos y leyes, luego utilice la deducción para deducir varias conclusiones y luego pruebe, explique y prediga mediante experimentos. La mayoría de estas predicciones resultaron ser ciertas más tarde. En ese momento, las leyes de Newton se llamaban axiomas, que representaban conclusiones generales extraídas por inducción y podían usarse para derivar otras conclusiones. ④Métodos físico-matemáticos. Newton colocó conceptos y leyes dentro de la física "en la medida de lo posible dentro de las matemáticas". Einstein dijo: "Newton fue el primero en encontrar con éxito una base claramente expresada en una fórmula. Sobre esta base, utilizó el pensamiento matemático para deducir lógica y cuantitativamente una amplia gama de fenómenos, que eran consistentes con la experiencia". la ley diferencial puede satisfacer plenamente los requisitos de los físicos modernos para la ley de causalidad. La clarificación del concepto de ley diferencial es uno de los mayores logros intelectuales de Newton". Newton tituló su libro "Principios matemáticos de la filosofía natural" para ilustrar este punto. .
Los principios metodológicos de Newton se concentran en los cuatro principios del Capítulo 3 "Reglas de razonamiento en filosofía" de "Principia", que no se citarán aquí. En resumen, se le puede llamar principio de simplicidad (Regla 1), principio de causalidad (Regla 2), principio de universalidad (Regla 3) y principio de no prueba (Regla 4). Algunas personas también defienden que la idea de Newton en el párrafo siguiente se llama principio de estructura: "El propósito de la filosofía natural es descubrir las funciones de varias estructuras en la naturaleza y reducirlas tanto como sea posible a algunas leyes y regulaciones universales - a Establezca estas leyes mediante la observación y la experimentación, deduciendo así la causa y el efecto de las cosas".
El sistema de filosofía y metodología de Newton fue elogiado por Einstein como "el programa de todo trabajador en el campo de la física teórica". Este es un programa abierto que ha guiado el progreso de generaciones de científicos. Pero la filosofía y la metodología de Newton inevitablemente tienen limitaciones obvias y lo incompleto de la época, lo que constituye el mayor logro de la ciencia en su etapa embrionaria. Newton sólo hizo en aquel momento una investigación sistemática preliminar sobre el movimiento mecánico más simple de la materia, hizo absolutos el espacio-tiempo y la materia y trató de extrapolar la teoría de partículas a todos los campos (por ejemplo, ni siquiera él mismo pudo explicar los "anillos de Newton", que descubierto). Este es su talón de Aquiles. Cuando Newton vio que la "causa primera" de las cosas no era necesariamente mecánica, formuló la pregunta "que estas cosas están tan ordenadas... si parece haber un Dios omnipresente" (Óptica, pregunta 29), y La larga- El cambio de término hacia la investigación "científica" en teología ha consumido mucha energía. Sin embargo, las limitaciones históricas de Newton, al igual que sus logros históricos, son materiales de enseñanza que inspiran a las generaciones futuras a seguir avanzando.