世界科技全景百卷书(40)物理大发现.pdf

《世界科技全景百卷书(40)物理大发现.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《世界科技全景百卷书(40)物理大发现.pdf（54页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、更多好书请点击 www.uus8.org伽利略与惯性定律1 5 8 2 年的一天，意大利比萨城一个年轻的医科学生，正在比萨大教堂里 跪着，同去做礼拜的同伴们都在专心地听牧师讲道，大厅里除了讲演声和一 根链条的擦碰声外，一片寂静。一盏从教堂顶端悬挂下来的吊灯，被风吹得 在空中来回摆动。摆动着的挂灯链条的嘀嗒声惊扰了正在做祈祷的医科学生 伽利略。这种人们常见的现象，引起了伽利略极大的兴趣。他的思考与 牧师的祷告距离越来越远了。他目不转睛地注视着吊灯的摆动，尽管吊灯摆 动的振幅逐渐减小，但往返一次所需要的时间似乎都一样。他把右手指按在 左手腕的脉搏上测量起来，惊奇地发现：不论灯摆动的幅度多大，每摆动

2、一 次所需用的时间的的确确是相同的。这个意外的发现，使他仿佛遭到了闪电 的突然袭击，引起了伽利略的惊奇。他自问：自己的感觉是正确的吗？不是 感觉欺骗了自己，就是亚里土多德“摆幅短需时少”的说法是错误的。究竟 是看花了眼，还是发现了奇迹，发现了大自然的一个伟大真理？他在教堂一 刻也呆不下去了，拔腿跑回家中。 伽利略回家后，迫不及待地进行了实验，为了取得精确的实验结果，他 找来了一只沙钟，准备好鹅管笔、墨水、纸张，认真记录实验数据，并请他 的教父帮助他进行这个试验。他找来两根一样长的绳子，在顶端各坠上一块 相等重量的铅块，分别将两根绳头系在两根厅柱上。伽利略手拿两个铅摆， 分别拉到距垂直线不同的位

3、置，然后同时放开手，让绳索自然摆动，让他的 教父数一根绳索的摆动次数，自己数另一根绳索摆动的次数，然后加以比较。 经过多次反复实验，发现两根绳索来回摆动的次数总数是一样的。伽利略终 于发现：虽然两根绳索起点不相同，但摆动的时间却一样。他发现了摆动的 规律，并用数学公式给予了准确的表述：即摆动的周期与摆的长度的平方根 成正比，而与摆锤的重量无关。这就是伽利略年轻时发现的著名的“摆的等 时性原理”。后来，荷兰的科学家犹更斯就是根据这个原理，制造出了挂摆 的时钟。今天，这个原理被更广泛地应用于计数脉搏、时钟计时、计算日食 和推算星辰的运动等诸方面。 伽利略发现著名的“摆的等时性原理”时，年仅 1 8

4、 岁。 1 5 6 4 年 2月 1 5日，伽利略出生于意大利的比萨城。他的祖辈是佛罗伦 萨的名门贵族，父亲是音乐家，作曲家，多才多艺，而且还擅长数学，可是 他却不愿意自己的儿子将来成为一名数学家或音乐家，希望他能成为一位医 生。伽利略 1 1 岁时，进入佛罗伦萨附近的法洛姆博罗莎经院学校，接受古典 教育。孩提时代的伽利略，好奇心极强，喜欢与人辩论，从不满足别人告诉 他的道理，而要自己去探索、去想象。他虽是一个音乐师的儿子，却从小就 对“天空的音乐”感兴趣，他父亲说他是一个心不在焉的小星象家，说他常 常眼里看见奇象，耳朵里听见异音。在学校里，当老师在解说拉丁文的介词， 或意大利文的动词的重要性

5、时，小伽利略的心早就随着父亲给他买的作为生 日礼物的那只小气球飞到天外去了。他还喜欢制造机械玩具做游戏，他制作 了各式各样的像车、风车、船之类的小玩意儿。 1 7 岁时，伽利略进入了比萨大学学医。然而，他以后的成就竟与医学毫 无关系。在大学学习期间，他对医学兴味索然，却迷恋着数学，在他的医学 教科书下藏着欧几里德和阿基米德的著作，背着人，一心一意地钻研着数学。更多好书请点击 www.uus8.org空闲时，就用自制的仪器进行自然科学实验。他深深感到：“数理科学是大 自然的语言。”为了学好这种语言，他决意献出自己的一生。 在学习过程中，伽利略表现出了独特的引人注目的个性，对任何事物都 爱质疑问难

6、。他不但指责学校的教学方法，而且还怀疑教学内容。尤其是对 哲学家们所崇奉的那些“绝对真理”，他更想探明它们究竟包含什么意义， 甚至对古希腊伟大的哲学家亚里士多德的主张也提出了质疑。 伽利略的学习动向和实验活动，引起了学校教授们的不满，因为一个学 生要独立思考，简直是不折不扣的异端。教授们宣布道：“所有科学上的问 题都最后而且一劳永逸地被亚里士多德解决了。无论何时，只要谁敢对一条 教条式的说法提出异议，教授只需引用亚里士多德的一句话就可以结束争 论。而伽利略却常常用自己的观察、实验来检验教授们讲授的教条，对于伽 利略“胆敢藐视权威”的狂妄举动，教授们不仅写信向伽利略的父亲告状， 而且拒绝发给伽利

7、略医学文凭，甚至给他警告处分，因此，伽利略被迫离开 了比萨大学，成了一个人所共知的学医失败者。 1 5 8 5 年，伽利略回到佛罗伦萨，在家自学数学和物理，潜心攻读欧几里 德和阿基米德的著作， 1 5 8 6 年写出论文 水秤 ， 1 5 8 8 年写出 固体的重心 ， 从而引起了学术界的注意。1 5 8 9 年，伽利略的母校比萨大学数学教授的席位 空缺了，在友人的推荐下，他当上了比萨大学的数学教授。伽利略，这位年 仅 2 5 岁的教授在完成日常教学工作外，开始钻研自由落体问题。 当时，亚里士多德的物理学占支配地位，是无容置疑的。亚里士多德认 为：不同重量的物体，从高处下降的速度与重量成正比，

8、重的一定较轻的先 落地。这个结论到伽利略时差不多近 2 0 0 0 年了，还未有人公开怀疑过。物体 下落的速度和物体的重量是否有关系：伽利略经过再三的观察、研究、实验 后，发现如果将两个不同重量的物体同时从同一高度放下，两者将会同时落 地。于是伽利略大胆地向天经地义的亚里士多德的观点进行了挑战。 伽利略提出了崭新的观点：轻重不同的物体，如果受空气的阻力相同， 从同一高处下落，应该同时落地。他的创见遭到了比萨大学许多教授们的强 烈反对，他们讥笑着说：“除了傻瓜外，没有人相信一根羽毛同一颗炮弹能 以同样的速度通过空间下降。”他们准备教训伽利略，迫使他在全体教授和 学生们面前承认他的观点是荒唐的，让

9、他当众出丑，永世不得翻身。 对于亚里土多德的信徒们的挑战，性格倔强的伽利略毫不畏惧，为了判 明科学的真伪，他欣然地接受了这个挑战，决定当众实验，让事实来说话。 公开的“表演”地点在比萨斜塔。1 5 9 0 年的一天清晨，比萨大学的教授 们穿着紫色丝绒长袍，整队走到塔前，洋洋得意地准备看伽利略出丑；学生 们和镇上的市民们，也熙熙攘攘地聚集在比萨斜塔下面，想看个究竟。伽利 略和他的助手不慌不忙，神色自如，在众人一阵阵嘘声中，登上了比萨斜塔。 伽利略一只手拿一个 1 0 磅重的铅球，另一只手拿着一个 1 磅重的铅球。他大 声说道：“下面的人看清，铅球下来了！”说完，两手同时松开，把两只铅 球同时从塔

10、上抛下。围观的群众先是一阵嘲弄的哄笑，但是奇迹出现了，由 塔上同时自然下落的两只铅球，同时穿过空中，轻的和重的同时落在地上。 众人吃惊地窃窃私语：“这难道是真的吗？”顽固的亚里土多德的信徒们， 仍不愿相信他们的崇拜者亚里士多德会有错误，愚蠢地认为伽利略在铅 球里施了魔术。为了使所有的人信服，伽利略又重复了一次实验，结果相同。 伽利略以雄辩的事实证明“物体下落的速度与物体的重量无关”，从而击败更多好书请点击 www.uus8.org了亚里士多德的信徒们。 正是这次闻名史册的比萨斜塔实验，第一次动摇了亚里士多德在物理学 中长期占统治地位的偏见，打破了亚里士多德的神话。后来，伽利略又通过 计算，得出

11、了自由落体定律。但是，比萨斜塔实验却惹怒了比萨大学的许多 权威人士。从此，年轻的科学家受到守旧派的仇视和迫害，伽利略被从比萨 大学排挤了出来。 伽利略没有因此而灰心丧气，思想仍旧十分活跃。不久，在友人的介绍 和帮助下，1 5 9 2 年伽利略被聘为帕多瓦大学的数学教授。帕多瓦大学位于威 尼斯水城，是一所学术空气很浓，而且较为自由的大学，其医学和数学在欧 洲久负盛名。伽利略在这所大学一呆就是 1 8 年，这是他科学生命最为活跃的 时期。 在这期间，伽利略陆续发表了一些力学、运动学、声学和光学，以及宇 宙体系等方面的著作。同时，他深受帕多瓦大学学生们的爱戴和敬佩，每当 他讲演时，那个能容纳 2 0

12、 0 0 多人的讲堂就挤得满满的，而且许多听众是从欧 洲各地特意赶来的。 1 6 0 8 年，伽利略从朋友的来信中得知，一位荷兰眼镜商人，在制造眼镜 镜片时，能够用凸凹镜片的组合看清远处的物体。伽利略的好奇心又被拨动 了，立即开始钻研光学和透镜。他检查了各种类型镜片的曲率以及他们彼此 的各种组合方式，用准确的数学公式测量出不同曲率和不同组合所引起的视 觉上的效果。1 6 0 9年，他终于研制成了人类历史上第一架放大倍数为 3 2倍 的天文望远镜。 伽利略最初制造的望远镜只能放大物体几倍， 但是这架望远镜比港口 望员用肉眼观察可以早两个小时发现进港的船只。当伽利略把这架望远镜献 给威尼斯总督后，

13、他获得终身教授的职位，因为对以航海贸易为主的威尼斯 来说，望远镜的重要性不亚于一支海军。 1 6 0 9 年 8月 2 1日，伽利略兴高采烈地邀请他的朋友们登上威尼斯钟楼 的楼顶，向他们展示那架能放大 3 2 倍的望远镜，让他们一个接一个地透过他 的“魔术放大镜”往远处看。朋友们清晰地看见了远处来往的船只；远方山 上吃草的羊群；城镇尽头教民们在教堂中进进出出；夜间观天，看见了“遥 远的星宿如在眼前。”这奇特的“魔镜”轰动了整个欧洲，不久，也传入中 国。 伽利略把这架望远镜称为“我的侦察镜”，利用它探测广阔的天空。他 昼夜进行观测，发现了前人未曾发现过的现象：太阳上有黑子；月亮上有隆 起的山脉，

14、低洼的平原；木星有 4 个小卫星绕它旋转；银河是由众多小星群 集而成。这是划时代的伟大发现。他根据自己对星团的观测，绘制了天文学 史上第一批星团图，出版了星际使者一书，向全世界报道了他新颖而富 有说服力的观测结果，比较隐晦地宣传哥白尼的观点。 伽利略通过实际观测和深入研究，认为哥白尼的日心说是完全正确的， 托勒密地心说则是荒谬的。为了申明自己的观点，他写下了不朽的杰作关 于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话，1 6 3 2 年用意大利文在佛罗伦萨出 版。在书中，伽利略运用大量事实，以“对话”的形式申述了哥白尼学说的 正确性。他说：“哥白尼头脑之精细和眼光之敏锐要大大超过托勒密，因为 托勒密没有看

15、到的，他都看到了。”这种做法和说法，在哥白尼的学说被教 廷正式宣布为“邪说”的专制时代，要冒何等的风险啊！伽利略正是冒天下更多好书请点击 www.uus8.org之大不韪的科学勇士。 对话问世后，影响极大，受到了全欧洲广大读者的赞扬，却触怒了 当时的罗马教廷，伽利略的名字被列入罗马宗教裁判所的黑名单。1 6 3 2 年 8 月，罗马宗教裁判所向对话的出版商发出通令，禁止出售该书。并传令 伽利略马上到罗马受审。 年近七旬的伽利略收到传讯通知书时，正在病中。医生写了证明书： “伽 利略生病在床，他可能到不了罗马，就到另一世界去了。”残无人道的宗教 裁判所竟下令：只要伽利略能勉强行走，就要锁上铁链，

16、押到罗马来。1 6 3 2 年底，伽利略在朋友们的搀扶护送下启程了。他冒着呼啸的寒风，经历千辛 万苦，于 1 6 3 3 年 2 月到达罗马。这位已经半死不活的可怜老人，一到罗马， 立即被监禁了起来。 1 6 3 3 年 4 月，罗马宗教裁判所开庭对伽利略进行审讯，以各种方法逼迫 伽利略放弃哥白尼学说。审讯持续了好几个月，伽利略坚持不肯忏悔。裁判 所便以火刑威胁，年老多病的伽利略被折磨得精神恍惚，被迫在判决书上签 字，同日心说一刀两断。据说，当精疲力竭的伽利略被朋友们搀扶着离开法 庭时，嘴里仍叽叽咕咕地嘟囔着：“地球确实是在运转呀！”最后，罗马宗 教法庭还是判处伽利略终身监禁。 残酷的精神和肉

17、体上的摧残，并没有使伽利略屈服，他的科学大脑一直 在无休止地工作着，他说：“我的活动的脑子一直要工作下去。”1 6 3 6年， 他秘密地完成了最后一部著作关于两门新科学的讨论和数学证明。此书 总结了他自己长期对物理学的研究，其中包括动力学的基础。书中提供的许 多原则和规律，为牛顿运动定律的发现奠定了坚实的基础。 1 6 3 7 年，伽利略双目失明了，再也无法进行科学研究了，他痛苦地对朋 友说：“在最后的日子再也看不到光明了，以致这天空、这大地、这由于我 的惊人的发现和清晰证明后比以前智者所相信的世界扩大了百倍的宇宙，对 我来说，这时已变得如此狭小，只能留在我自己的感觉中了。” 1 6 4 2

18、年 1 月 8 日，伽利略，这位伟大的科学家，含冤去世。终年 7 8 岁。 1 7 3 7 年，意大利国民为了纪念这位不幸的先驱者，把他的坟墓安置在佛罗伦 萨的克洛齐教堂，以示怀念。1 9 8 0年 1 0月，一个由世界著名科学家组成的 委员会在罗马成立，重新审理“伽利略案件”，为沉冤 3 0 0 多年的伽利略昭 雪平反。历史终于显示了它的公正，伽利略终于恢复了他的清白，如他地下 有知，该是可以感到欣慰了。能量守恒和转化定律迈尔（1 8 1 4 1 8 7 8 ），是德国人，从小学医。1 8 4 0年他才 2 6岁，便在 汉堡独立开了一个诊所行医了。他平常对事情总要问个为什么，而且必须亲 自观

19、察、研究、实验。别人笑他这股痴劲，他却反而嘲笑当时形而上学的诡 辩哲学，并对它厌恶至极点。他越来越不满足于自己生活在汉堡这个小天地 里，和亲人们闹着要到外面去闯一闯。机会真的来了，有一支船队要到印度 厄西亚远航，正好缺一个随船的医生，他便欣然应征。1 8 4 0 年 2月 2 2日这 天，他便开始了海上生活。 也不知经历了多少个昼夜，迈尔终日在船上凭栏远眺，但是看不见陆地， 看不见树木，除了蔚蓝的海水就是白浪，只是感觉到气候越来越热。这天，更多好书请点击 www.uus8.org好不容易到达爪哇岛的巴达维亚（即今日的雅加达），船队才终于可以停靠 港口，人们也终于能登陆休息了。但是由于气候水土不

20、适应，许多船员突然 都生起病来，迈尔就按照他过去的老办法，放血治疗。在德国治这种病只需 在病人的静脉管上刺一针就会放出一股黑红的血来，现在他虽仍然是一针扎 下来，可是这些同胞的静脉管里却冒出的是鲜红的血。船员们的病倒是治好 了，但迈尔却开始头疼起来。他本就有一个爱观察、爱思考的习惯，现在遇 到这种奇怪的事，他的脑海怎能平静下来？经过多日的冥思苦想，他终于想 通了一个道理。他想：血液之所以是红的，是因为里面含有氧，氧在人体内 燃烧产生热量，维持人的体温。这里由于靠近赤道，气候炎热，人的体温并 不需要那么多氧去维持，血里的氧消耗不多，静脉管里的血液自然就还是鲜 红的。这个推论不一定正确，但是他却突

21、发奇想地想到一个人们从没有想过 的极重要的问题，就是人身上的热量究竟是由什么转化来的，是由心脏的运 动吗？不是，他计算了一下，顶多只有 5 0 0 克重的一颗心脏，它运动做功产 生的热量根本不能维持全身的体温。看来体温是靠全身的血肉来维持的，而 这又要靠人每天吃食物，吃肉得来的；肉却是其他动物吃草长成的，而草是 靠太阳的光热进行生物化学变化而生长成的。太阳的光线又是从何而来呢？ 他想太阳假如是一块燃烧的巨大煤块，按 1 克煤可以放出热量 6 0 0 0 卡计算， 这块巨大煤块只能燃烧 4 6 0 0 年。看来不是这么回事，他又想那一定是无数陨 星、小行星高速撞击到太阳表面使之发热的，他推算出太

22、阳中心的温度是 2 7 5 0 万度5 5 0 0 万度（今天我们知道的实际是 1 5 0 0 万度）。迈尔就是这样 没完没了地联想，各种能的形式在他的脑海里不断转换，越想越多，越想越 宽，从具体上升到抽象，最后他想应该集中到一点：用什么来说明、来衡量 这些能量间的转换呢？这就是热、热量。每种能量都可以转化或换算成热量， 这就是它们之间的相似之处。迈尔在不知不觉中已从狭窄的医学领域，跳到 了大众学科领域中。 迈尔远征南洋之行，无意之间获得了这样一个新的想法，喜悦之情无法 用言语来表达。他一回国就写了一篇论文论无机界的力提出机械能与热 能的转化思想，而且还自己设计实验测出热功当量是 3 6 5

23、千克米/ 千卡。他兴 冲冲地带着这篇文章来到当时德国最具权威的科学杂志 物理年鉴杂志社， 声言一定要亲自面见总编。总编辑波根道夫一见到这个年轻人便先问他道： “您是搞什么专业的？” “我是一名医生。” “医生怎么到我们物理杂志社来投稿呢？” “我的这个新理论不但管医学，也管物理、化学，一切自然学科都逃不 出它的范围。” “年轻人，你在说疯话吧。” 波根道夫答应，可以把论文先留下。可是迈尔回到汉堡后，左等右等却 不见文章发表。他料想自己这个无名小卒人家不会相信，便又将此文投到一 份医学杂志，终于在 1 8 2 4 年 5 月问世。但物理学家们谁也不曾注意这种医学 小刊物。于是他到处演说，挤进去参

24、加人家的物理学术会议，让人们相信世 界上能量是不生不灭的。这天他又在一个讨论会上大声演说： “你们看，太阳把能量洒向地球。地球决不会让这些能量浪费掉，就到 处长满了植物，它们生长着，吸收着阳光，并且又生出各种化学物质” 但是他讲的这些谁也不相信，人们议论纷纷： “这纯粹是胡扯，是瞎猜，更多好书请点击 www.uus8.org有什么实验根据呢？”其实迈尔所提出的是光合作用问题，以后果然被俄国 科学家季米利雅捷夫所证实。这是后话。人们根本不愿听迈尔的演说，对他 很不尊重，说：“看来他真的有些疯了吧。” 迈尔气极了，大声喊道：“什么叫疯了？疯子是不按常规想事、做事， 但不遵循常规的人却井不一定都是疯

25、子。哥白尼、布鲁诺、伽利略、哈维不 是都打破了常规，都曾被人称为疯子吗？但是历史却证明他们是真正的伟 人！” “哈哈，原来你是想当哥白尼啊！” “你还是先当一个好医生，治治自己的精神病吧！” 会场上一片哄笑。 迈尔由于不被人理解，他陷入极度的痛苦中。加上他的两个儿子又相继 去世，精神上受到更大的打击。他走过大街，大家议论：“这就是那个疯医 生，连自己的孩子也治不好。”渐渐，他的诊所也无人光顾了。他也一天大 更加形容枯槁，脾气更加狂躁。 1 8 5 0 年的一天晚上，他拖着疲惫的身子回到家里，刚迈上楼梯就听到家 里有人说话，是妻子的声音：“先生，请您拿个主意，他是否该去住一段时 期的医院了。”他

26、推门进去，本地一位精神病院的名医师正坐在沙发里。原 来家里人也把他当成精神病人了。他非常愤怒，将桌子一把掀翻，喊道： “你 们全都疯了，你们不要我这个疯子，我就离开这个全是疯人的世界！” 说罢，他冲出门外，从阳台上头朝下一跳，便栽下楼去了。家里人半天 才反应过来，看着黑呼呼的楼下，一时又哭又喊乱成一团。好不容易把他送 到医院，虽然性命挽救过来了，但神经已经错乱了。一个天才就这样被人言 给毁了。 和迈尔同时期研究能量守恒的，还有一个英国人叫焦耳（1 8 1 8 1 8 8 9 ） 他从小体弱多病，不能到学校去学习，只能在家里自学。在后来又投到道尔 顿门下学化学、物理、数学。焦耳的父亲是一位啤酒商

27、，他为儿子留下了一 个啤酒厂，焦耳便一边经营啤酒厂一边研究科学。在长期的酿酒过程中，使 他懂得准确测量的重要性。自从他听说法拉第发现电磁感应后，他又迷恋于 电的研究，真是条条大道通罗马，就像迈尔从静脉血液的颜色想到能量转化 一样，焦耳却从导线通电后可以发热，想到了电能和热能的相互转换。1 8 4 0 年他才 2 2 岁，便发现将通电金属丝放在水里，水会因此而发热。经过多少次 精细地测试，他得出了一条定律：通电导体所产生的热量跟电流强度的平方、 导体的电阻和通电时间成正比，这就是有名的焦耳定律。当时焦耳将自己的 结论写成论文，送给英国皇家学会。但是这篇文章，一直拖到第二年 1 0 月才 在哲学杂

28、志上登出。 焦耳的性格毕竟与迈尔不同。他谦和大度又极具有韧性。无论社会上承 认不承认，重视不重视，他总是自己干自己的，不去听别人论长短，对所遇 到的难点他总要弄个水落石出。1 8 4 3 年他测了水电解时产生的热，又测了运 动线圈中感应电流产生的热，计算出无论化学能、电能等各种各样的能所产 生的热都相当于一定的功，即 4 6 0 千克米/ 千卡。 1 8 4 5 年的一天，他带上自 己最新测得的数据和实验仪器，参加在剑桥举行的学术会议。他当场做完实 验，非常肯定地宣布：“自然界的力（能）是不能够毁灭的，如果消耗了机 械力（能），总能得到相当的热”。台下在坐的都是一些赫赫有名的大科学 家，他们对

29、这种闻所未闻的理论一个个听得直摇头，连法拉第也转过身来对更多好书请点击 www.uus8.org身边的人说：“这恐怕不可能吧。”其中有一人当时便十分恼火。此人叫威 廉汤姆生（1 8 2 4 1 9 0 7 ），后来的英国皇家学会会长，这年才 2 1 岁，但已 是一个远近闻名的才子了。他父亲是格拉斯大学的数学教授，他 8 岁就跟随 父亲听大学的数学课，1 0 岁就正式考入该大学，后又到剑桥学习，这年刚毕 业就获得了数学学士和史密斯奖章，自认为学富五车，才高八斗，那些数理 化的规律早就滚瓜烂熟于心。今天听了焦耳的这段奇论，他转身问道：“这 台上站着的是哪个大学的教授？”别人告他是曼彻斯特啤酒厂的老

30、板。他鼻 子一哼道： “原来是个酿酒匠啊，也配来这里讲演？”说完起身退出了会场。 台下的议论，汤姆生的举动，焦耳自然也都看在眼里听到耳中。但他不 将这些放在心上，回到家里继续一边酿酒，一边搞业余研究。他不仅用水来 测机械能转化成的热，还换了水银、鲸鱼油、空气，又用铁片摩擦生热，后 来又把热功当量精确到 4 2 3 . 9 千克米/ 千卡。 就这样锲而不舍地进行实验竟持 续了近 4 年，达 4 0 0 多次，其毅力实在是惊人。1 8 4 7 年焦耳终于设计成一种 清楚明了后来在科学史上很著名的实验，即用一个密封水桶在里面装上桨， 桨上有轴，轴与两边的重物相连。这样重物下降便带动桨的转动，从而使桶

31、 内的水摩擦生热而通过下降的高度来求热功当量。这年英国科学协会又在牛 津召开会议。会议主席一见他来便皱起眉头说：“焦耳先生，你的那些东西 据我所知现在还没一票支持，最好不要再浪费时间了。” “我匆匆赶来正是为了取得支持，我相信经过现场表演，这些聪明的教 授会看得懂其中的道理，会支持我的。” “那好，但实在是时间有限，请只介绍实验，报告就不必做了。” “可以。” 焦耳将他的仪器摆好，转动摇把，让重物升高下降，又测出桶内水的温 度说： “你们看机械能就是这样可以定量地转化为热，反过来 1 0 0 0 卡的热也 和 4 2 3 . 9 千克米的功相当。” 他话还没有说完，突然台下站起一个人来高声说道

32、：“这简直是胡扯！ 热是一种物质，热素，它与功毫无关系。” 焦耳抬头一看说话的正是汤姆生，想不到今天他又来了，真是冤家路窄。 现在的汤姆生已是格拉斯大学的教授，春风得志，而比汤姆生大 6 岁的焦耳 却还是一个酿酒匠。焦耳对汤姆生的无礼并不以怨相报，他让自己冷静一下， 以一种温和的语调说：“热不能做功，那蒸汽机里的活塞为什么会动呢？能 量要是不守恒，那永动机为什么总是造不成呢？” 这个酿酒匠不紧不慢，不软不硬的两句话顿时使会场内鸦雀无声。焦耳 虽然没有教授的风度，但是他那酿酒房里特殊训练出来的熟练的操作技巧， 精细的计算、推理，全都无懈可击，再加上他那双谦虚的眼睛，诚恳的笑容， 使这些教授们不得

33、不认真思考起来，一会儿纷纷起来发言，争论得好不热闹。 他们又上前用眼看、手摸，仔细检查了焦耳的仪器，实在是新颖简明，不能 不佩服这个啤酒匠的才智。 再说汤姆生自以为聪明多才，不想今天在会上碰了这个钉子，羞愧难当。 他回到学校后，也自己动手做起实验来。不久，他在资料室里随意翻阅旧杂 志，竟发现前几年迈尔发表的那篇论文，其思想与焦耳完全不谋而合，这才 使他大吃一惊。他忙将这篇论文藏在怀里，又带上自己最新的实验结果，急 匆匆地赶去见焦耳。他抱定负荆请罪的决心，想请焦耳原谅他过去的傲慢， 共同来探讨这个伟大的发现。更多好书请点击 www.uus8.org却说汤姆生来到啤酒厂里，只见满地酒糟、酒瓶。他打

34、听焦耳，别人指 向一所房子，他推门进去，酒气扑鼻，雾气腾腾，只见一个身系帆布围裙的 大个子正在指挥工人添料、加水。他一眼就认出这就是两次在台上讲演的那 个身影，忙趋前几步说道：“焦耳先生，汤姆生前来拜访您。”焦耳满手酒 浆，回头一看，不提防却是他这个论敌。看他这身笔挺的教授服装，一副诚 恳的神态，不知出了什么事。忙双手在围裙上抹了两把，喊道： “原来是您， 汤姆生教授，快到实验室里去休息吧。” 两人在实验室里坐定。汤姆生打量着他这间堆着酒瓶、酒罐和各种代用 仪器的实验室，暗暗被焦耳这种坚韧不拔的精神所折服。待焦耳洗了手，换 了衣服，他站起来说：“焦耳先生，看来是您对了，我今天是特来认错的。”

35、“哪里，哪里。我自己也还有很多地方没有弄通，正要向您求教呢。” “您看，我是看了这篇论文后，才感觉到你们是对的。”说着就掏出迈 尔的文章。 焦耳不看则罢，一看，刚才脸上的喜色顿时消失了：“汤姆生教授，可 惜您再也不能和他当面讨论问题了。这样一个伟大的天才因不为人所理解， 已经愤而跳楼自杀了。” “啊？”汤姆生的眼睛睁得鸡蛋似地喊道：“他已经不在人世了吗？” “在，不过已神经错乱，住进精神病院里，怕难康复了。” 汤姆生低下了头，半天一句话都说不出。一会儿才抬起头，用真诚的目 光看着焦耳的眼睛，说：“实在对不起。我现在才知道自己的罪过。过去我， 我们这些人曾给了您多大的压力啊。焦耳先生请您原谅，一

36、个科学家在新观 点、新事物面前有时也会表现得非常无知的。” 焦耳连忙上前扶他坐下说道：“汤姆生教授，请不要这样说。这是由于 我的实验也有许多不完善之处，难以立即服人。”他为了缓和一下气氛又补 充道：“况且我这个人一向会自我解嘲，反正我这里有的是酒，不顺心时喝 上几大杯，也就愁云四散了。所以我经常醉，却永不会疯的。”说完他先哈 哈大笑了。 从此，焦耳和汤姆生成了一对密友。汤姆生毕竟受过专门训练，1 8 5 3 年 他帮助焦耳终于完成了关于能量守恒和转化定律的精确表述。至此，辩证唯 物主义得以产生的基础，自然科学中的三大发现之一的能量转化和能量守恒 定律宣告得到公认。后来两人又合作发现了著名的汤姆

37、生焦耳效应，即 气体受压通过窄孔后会发生膨胀降温，为近代低温工程奠定了基础。苹果启发了牛顿伦敦威斯敏斯特教堂安葬着英国各个时期许多杰出的人物，凡是有机会 来此地的人，必定会怀着特别激动和崇敬的心情在刻着碑文“伊萨克牛顿 长眠在此”的墓碑前默立，缅怀这位人类万有引力定律的发现者。在牛顿的 铸像上刻着古罗马诗人和哲学家卢克莱修的一句话：“他的智慧超人”。这 句话充分表达了后世人对牛顿的天才的钦佩。曾有一些名人对牛顿的科学贡 献，作过这样的评价：“牛顿借助万有引力定律而创立了科学的天文学，借 助于对光的分解而创立了科学的光学，借助于二项式定理和无穷级数理论而 创立了科学的数学，借助于对力的本性的认识

38、而创立了科学的力学。”诺贝 尔物理学奖获得者，丹麦原子物理学家玻尔说：“说得正确些，牛顿不仅把更多好书请点击 www.uus8.org当时已知的全部知识整理归纳在一起，而且是非凡的天才，能够预见到未来 的科学发现和科学的进一步发展。”这些评价是一点也不过头，而是恰如其 分的。 1 6 4 2 年 1 2 月 2 5 日的早晨，在英国北部林肯郡的一个名叫乌尔斯索普的 村庄里，一个年轻而又虚弱的母亲生下了一个只有 3 磅重的婴儿。给他接生 的产婆甚至没有料到这个瘦弱的、先天不足的、苍白的畸形小孩会活下来。 她说：“咳，这么一个小不点儿，我简直可以把他塞进一只杯子里去！”这 就是命运将这个叱咤风云的

39、科学家牛顿诞生到世界上来的那种如同玩笑 似的方式。 牛顿是个遗腹子，在他出生前几个月，他的父亲因病去世。3年后，他 的母亲为生活所迫改嫁给一个牧师，搬到别的地方，把牛顿交给他的外祖母 抚养。直到牛顿 1 4 岁时，母亲改嫁后的丈夫病故后，她才重新回到家乡，把 牛顿从寄宿学校里接回家来。 少年时代的牛顿爱好数学，注意观察周围的事物，尤其喜欢动手制作各 种机械玩具。他把平时省下来的零用钱买了小锯子和铁锤等各种工具，动手 模仿或设计制造各种各样的小东西。 有一天，他对房东药剂师的小舅子说：“可以将地下室里的那个木桶给 我吗？我将用它做一只钟，我有把握说，你将再不会因为不知道准确时间而 迟到了。”于是

40、，他动手做了一只“水钟”。他在木桶里刻了一些线条，桶 底开了个小洞，每天早晨，将适量的水注入桶内，等水漏到某一刻线，就是 正午，即吃午饭的时候。 离他外祖母家不远的地方，有一架风车。牛顿经常跑到那里去仔细观察， 把那个风车的机械原理完全摸透了，他决定自己动手造一架与其不同的风 车，要比所有的都好。而且，推动风车转动的，不是风而是动物。他别出心 裁地把一只老鼠缚在一架有轮子的踏车上，然后在轮子前面，在这个饥饿的 踏车老鼠恰恰可望而不可及的距离处，放上一粒玉米。老鼠想吃玉米，就踏 呀，踏呀，使轮子转个不停。牛顿兴奋地叫道：“相信大自然是会叫机械转 动的！” 念中学时，校长斯托克斯发现了牛顿，认为牛

41、顿具有超人的理解和观察 能力，对牛顿十分器重，牛顿的才华也日益显露出来，在中学里成绩一直名 列前茅。 牛顿充满理想，脑子里总想着各种学习问题。母亲让他放牧，他牵马上 山，边走边想着天上的太阳，待走到山顶想骑马时，马早已跑得无影无踪了， 自己手里只剩下一条缰绳；叫他放羊，他专心致志地在树下看书，以致羊群 走散，糟塌了庄稼。舅父叫佣人陪他一起上市场，让他熟悉一下做交易的生 意经。但是，每次走近镇子的时候，牛顿便恳求佣人一个人去镇上做交易。 他说：“在回来时，你可以到这儿来找我，我将在小树丛后面读我的书。” 每次交易的成功，使牛顿的舅父对生意的真实性起了疑心。一天，他跟 踪牛顿上集镇去，发现牛顿伸着

42、腿，躺在草地上，正在聚精会神地研究一个 数学问题。牛顿的舅父无可奈何地说：“伊萨克，还是回去念你的书吧！” 1 6 5 8年，牛顿作了第一次物理实验，测量顺风跳跃和逆风跳跃的距离， 为了测验风力，牛顿在暴风雨中跑来跑去，淋得浑身湿透，把他母亲吓坏了， 以为他“疯”了。 1 9 岁时，勤奋好学的牛顿以优异的成绩，考入了著名的剑桥大学三一学更多好书请点击 www.uus8.org院。学院优越的教学设备、众多的图书资料、浓厚的学术气氛，以及许多享 有盛誉的老师，使牛顿获益匪浅。大学期间，他更加刻苦攻读，悉心钻研数 学、光学和天文学，为后来的重大科学发现打下了坚实的基础。 学院里的巴罗教授发现牛顿具有

43、非凡的才能，推荐他当研究生，并为他 指出了攀登科学高峰的方向。1 6 6 4年，经过考核，巴罗让牛顿做他的助手。 第二年，牛顿获剑桥大学学士学位，大学毕业后牛顿留在大学研究室，开始 了他的科研生涯。 1 6 6 5 年 6 月，一场可怕的瘟疫在伦敦流行，剑桥大学被迫停课，牛顿因 此回到故乡。在家乡躲避瘟疫的 1 8 个月，可以说是牛顿一生中最重要的一个 时期。这期间，他系统地整理了大学里学习过的知识，潜心钻研开普勒、笛 卡尔、阿基米德、伽利略等前辈科学家的主要论著，还进行了许多科学试验。 几乎他所有最重要的发现：万有引力定律、经典力学、微积分、光学等基本 上都萌发于这段时期。 万有引力定律的发

44、现是牛顿在自然科学中最辉煌的成就。在乡下时，牛 顿非常注意观察太阳、月亮和星辰的运行。脑海里经常长久地思考着一个问 题：对于天体的运动能不能从动力学的角度去解释？ 1 6 6 6 年的一天，牛顿正坐在花园里的苹果树下专心地思考着地球引力的 问题，忽然，一只熟透了的苹果从树上掉下来，正好打中牛顿的脑袋，然后 滚落进草地上一个小坑洼里。牛顿顾不得去揉一揉被苹果打疼的脑袋，便被 苹果落地这一十分普通的自然现象所吸引。他问自己，苹果为什么不掉向天 空，却偏偏落向地面呢？如果说苹果有重量，那么重量又是怎样产生的呢？ 牛顿进一步思索着苹果和地球之间相互吸引的问题。他想，地球大概有某种 力量，能把一切东西都

45、吸向它吧。物体所具有的重量，可能就是受地球引力 的表现。这说明苹果和地球之间有相互引力，而这种引力在整个宇宙空间可 能都是存在的。他将人们的想象由一只苹果的落地引向了星体的运行。 牛顿思索着，他想：地球的引力如果没有受到阻止，那么月亮是否也会 受到地球的吸引力呢？月亮总是按照一定的轨道，绕地球旋转而不会越轨跑 掉，不正是地球对它有吸引作用的结果吗？他又进一步推想到：各个行星之 所以围绕着太阳运转，也必定是太阳对它们的吸引作用产生的。 牛顿在探索苹果落地之谜后得出结论：“宇宙的定律就是质量与质量间 的相互吸引。”从行星到行星，从恒星到恒星，这种相互吸引的交互作用， 遍及无边无际的空间，使宇宙间的

46、每一事物都依照它的既定的轨道，在既定 的时间，向着既定的位置运动。牛顿把这种存在于整个宇宙空间的相互吸引 作用称之为“万有引力”。 从 1 6 6 5 年起， 牛顿开始用严密的数学手段来进一步研究物体运动的规律 和理论。他从动力学的角度分析认为：开普勒所提出的行星运动的三个定律 都是万有引力作用的结果。于是，牛顿从这些定律入手，通过一系列的数学 推论，用微积分证明：开普勒第一定律表明太阳作用于某一行星的力是吸引 力，它与行星到太阳中心的距离的平方成反比；开普勒第二定律表明作用于 行星的力是沿着行星和太阳的连线方向，这个力只能起源于太阳；开普勒第 三定律表明太阳对于不同行星的吸引力都遵循平方反比

47、关系。接着，牛顿从 对天体运动的分析中，得出普遍的万有引力定律。 牛顿发现万有引力定律后，并没有立即发表这个理论，他仍在冷静地深 思和研究。一方面，他要对这个定律的每个环节作出严密的数学论证；另一更多好书请点击 www.uus8.org方面，还要对这一理论作出切实可靠的实践检验。牛顿克服了巨大的困难， 花费了 1 0多年的心血，1 6 8 7年，在英国著名天文学家哈雷等人的支持和赞 助下，牛顿的不朽名著自然哲学的数学原理终于问世了。在这部共 5 0 0 多页的名著中，包括了极其丰富的内容。牛顿论述了科学研究的方法；木星、 月亮、彗星等天体的运动；海水的涨潮和落潮；振动和声波的性质等问题， 但贯

48、穿全书并构成全书核心的则是力学的三大定律和万有引力定律。 自然哲学的数学原理的出版，标志着经典力学体系的建立。牛顿发 现万有引力定律是他在自然科学中最辉煌的成就。从苹果落地到万有引力定 律的发表，先后经历了 1 0 多个年头，凝聚着牛顿多少心血啊！后世的人们， 一直把苹果落地的故事当作牛顿发现这一伟大定律的一个标记。在牛顿家的 花园里，那棵当年落下苹果击中牛顿头的苹果树，一直被后人精心地护理着， 吸引着无数慕名前来的参观者。1 8 2 0 年，这棵树死后，还被当作珍贵的纪念 物，分成好几段，分别保存在英国皇家学会等处。而“苹果落地”的故事则 成为科学史上的一段佳话，在民间广为传诵。 牛顿在科学

49、史上的崇高地位是举世公认的。他一生中，不仅为经典力学 奠定了基础，而且在热学、光学、天文、数学等方面都作出了卓越的贡献。 在光学方面，牛顿用三棱镜对太阳光进行分析，结果发现当一束日光透 过棱镜之后，会产生折射，白色的光散开，成为红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七种不同颜色的光。他还发现，当把其中任何一种颜色的光再射过第二个 棱镜时，它不会再分散成别的颜色的光。而太阳光透过濛濛雨雾，产生彩虹， 也是同样的道理。牛顿经过反复实验，细心观察，得出了日光是由有色光组 成的结论，从而为现代光谱学奠定了基础。1 7 0 4 年，牛顿出版了光学一 书，书中汇集了他研究光现象的全部成果。这部著作至今仍是细密又精确地 描写物理实验的典范，而用三棱镜做实验成了经典实验项目，一贯地被应用 于物理学上。 在研究光学的基础上，牛顿发明了世界上第一架反射望远镜，使人类对 天体的观察进入一个新阶段。1 6 6 8年，牛顿造的第一架反射望远镜长 6寸， 直径只有 1 寸，但却可以放大 4 0 倍，一般4 呎长的大望远镜都不及他的这台 小望远镜。后来，他又做了一台较大的望远镜，并把它送给伦敦皇家学会， 上面的题词是：伊萨克牛顿发明并于 1 6 7 1 年亲自制造。就在这一年，牛顿 就被选为英国皇家学会会员。目前，世界上最大的望远镜都是