光學

　　為了區(qū)別于時下被廣泛使用的“經典”一詞，本書之稱之為“科學元典”，本“經典”不通于歌迷們所說的經典”，也不于表演藝術家們朗誦的“科學經典名著”。受歌迷歡迎的流行歌曲所說的“經典”，實際上是時尚的東西，其含義與我們所說的代表傳統(tǒng)的經典恰恰相反。表演藝術家們朗誦的“科學經典名著”多是表現科學家們的情感和生活態(tài)度的散文，甚至反映科學家生活的話劇臺詞，它們可能膾炙人口，是否屬于人文領域里的經典姑且不論，但基本上沒有科學內容。并非著名科學大師的一切言論或者是廣為流傳的作品都是科學經典。這里所謂的科學元典，是指科學經典中最基本、最重要的著作，是在人類智識史和人類文明史上劃時代的豐碑，是理性精神的載體，具有永恒的價值?？茖W元典是科學史和人類文明史上劃時代的豐碑，是人類文化的優(yōu)秀遺產，是歷經時間考驗的不朽之作。它們不僅是偉大的科學創(chuàng)造的結晶，而且是科學精神、科學思想和科學方法的載體，具有永恒的意義和價值。

　　艾薩克·牛頓簡介艾薩克·牛頓，Physics] newton（儒略歷1642年12月25日-1727年3月20日 格里歷（陽歷）1643年1月4日-1727年3月31日）是英國偉大的數學家、物理學家、天文學家和自然哲學家，同時他也是一個神學愛好者，晚年曾著力研究神學。1643年1月4日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝?！∨ｎD1661年入英國劍橋大學三一學院，1665年獲文學士學位。隨后兩年在家鄉(xiāng)躲避瘟疫。這兩年里，他制定了一生大多數重要科學創(chuàng)造的藍圖。1667年回劍橋后當選為三一學院院委，次年獲碩士學位。1669年任盧卡斯教授直到1701年。1696年任皇家造幣廠監(jiān)督，并移居倫敦。1703年任英國皇家學會會長。1706年受女王安娜封爵。他晚年潛心于自然哲學與神學?！∨ｎD在科學上最卓越的貢獻是創(chuàng)建了微積分和經典力學。艾薩克·牛頓的名言1、如果說我所看的比笛卡爾更遠一點，那是因為站在巨人肩上的緣故。：牛頓（英國）　2、無知識的熱心，猶如在黑暗中遠征。：牛頓（英國）　3、你該將名譽作為你最高人格的標志。：牛頓（英國）　4、我的成就，當歸功于精微的思索。：牛頓（英國）　5、你若想獲得知識，你該下苦功；你若想獲得食物，你該下苦功；你若想得到快樂，你也該下苦功，因為辛苦是獲得一切的定律。：牛頓（英國）　6、聰明人之所以不會成功，是由于他們缺乏堅韌的毅力。：牛頓（英國）　7、勝利者往往是從堅持最后五分鐘的時間中得來成功。：牛頓（英國）　8、我不知道世人怎樣看我，但我自己以為我不過像一個在海邊玩耍的孩子，不時為發(fā)現比尋常更為美麗的一塊卵石或一片貝殼而沾沾自喜，至于展現在我面前的浩翰的真理海洋，卻全然沒有發(fā)現。：牛頓（英國）力學單位，國際單位單位制導出單位牛頓（國際單位），一種衡量受力大小的國際單位。在物理中牛頓（Newton，符號為N）是力的公制單位。它是以發(fā)現經典力學的艾薩克·牛頓（Sir Isaac Newton）命名。牛頓是一個國際單位制導出單位，它是由kg·m·s·2的國際單位制基本單位導出，能使一千克質量的物體獲得1米每二次方秒的加速度所需的力的大小定義為1牛頓。牛頓-拉夫遜法牛頓法（Newtons method）又稱為牛頓-拉夫遜方法（Newton-Raphson method），它是一種在實數域和復數域上近似求解方程的方法。方法使用函數f（x）的泰勒級數的前面幾項來尋找方程f（x） = 0的根。牛頓與二項式定理在一六六五年，剛好二十二歲的牛頓發(fā)現了二項式定理，這對于微積分的充分發(fā)展是必不可少的一步。二項式定理把能為直接計算所發(fā)現的　等簡單結果推廣如下的形式推廣形式二項式級數展開式是研究級數論、函數論、數學分析、方程理論的有力工具。在今天我們會發(fā)覺這個方法只適用于ｎ是正整數，當ｎ是正整數１，２，３，....... ，級數終止在正好是ｎ＋１項。如果ｎ不是正整數，級數就不會終止，這個方法就不適用了。但是我們要知道那時，萊布尼茨在一六九四年才引進函數這個詞，在微積分早期階段，研究超越函數時用它們的級來處理是所用方法中最有成效的。創(chuàng)建微積分牛頓在數學上最卓越的成就是創(chuàng)建微積分。他超越前人的功績在于，他將古希臘以來求解無限小問題的各種特殊技巧統(tǒng)一為兩類普遍的算法：微分和積分，并確立了這兩類運算的互逆關系，如：面積計算可以看作求切線的逆過程。那時萊布尼茲剛好亦提出微積分研究報告，更因此引發(fā)了一場微積分發(fā)明專利權的爭論，直到萊氏去世才停息。而后世己認定微積是他們同時發(fā)明的。微積分方法上，牛頓所作出的極端重要的貢獻是，他不但清楚地看到，而且大膽地運用了代數所提供的大大優(yōu)越于幾何的方法論。他以代數方法取代了卡瓦列里、格雷哥里、惠更斯和巴羅的幾何方法，完成了積分的代數化。從此，數學逐漸從感覺的學科轉向思維的學科。微積產生的初期，由于還沒有建立起鞏固的理論基礎，被有些別有用心者鉆空子。更因此而引發(fā)了著名的第二次數學危機。這個問題直到十九世紀極限理論建立，才得到解決。推進方程論，開拓變分法牛頓在代數方面也作出了經典的貢獻，他的《廣義算術》大大推動了方程論。他發(fā)現實多項式的虛根必定成雙出現，求多項式根的上界的規(guī)則，他以多項式的系數表示多項式的根ｎ次冪之和公式，給出實多項式虛根個數的限制的笛卡兒符號規(guī)則的一個推廣。牛頓在還設計了求數值方程的實根近似值的對數和超越方程都適用的一種方法，該方法的修正，現稱為牛頓方法。牛頓在力學領域也有偉大的發(fā)現，這是說明物體運動的科學。第-運動定律是伽利略發(fā)現的。這個定律闡明，如果物體處于靜止或作恒速直線運動，那么只要沒有外力作用，它就仍將保持靜止或繼續(xù)作勻速直線運動。這個定律也稱慣性定律，它描述了力的一種性質：力可以使物體由靜止到運動和由運動到靜止，也可以使物體由一種運動形式變化為另一種形式。此被稱為牛頓第一定律。力學中最重要的問題是物體在類似情況下如何運動。牛頓第二定律解決了這個問題；該定律被看作是古典物理學中最重要的基本定律。牛頓第二定律定量地描述了力能使物體的運動產生變化。它說明速度的時間變化率（即加速度a與力F成正比，而與物體的質量里成反比，即a=F/m或F＝ma；力越大，加速度也越大；質量越大，加速度就越小。力與加速度都既有量值又有方向。加速度由力引起，方向與力相同；如果有幾個力作用在物體上，就由合力產生加速度，第二定律是最重要的，動力的所有基本方程都可由它通過微積分推導出來。此外，牛頓根據這兩個定律制定出第三定律。牛頓第三定律指出，兩個物體的相互作用總是大小相等而方向相反。對于兩個直接接觸的物體，這個定律比較易于理解。書本對子桌子向下的壓力等于桌子對書本的向上的托力，即作用力等于反作用力。引力也是如此，飛行中的飛機向上拉地球的力在數值上等于地球向下拉飛機的力。牛頓運動定律廣泛用于科學和動力學問題上。牛頓運動定律牛頓運動定律是伊薩克·牛頓提出了物理學的三個運動定律的總稱，被譽為是經典物理學的基礎。為“牛頓第一定律（慣性定律：一切物體在不受任何外力的作用下，總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。：它明確了力和運動的關系及提出了慣性的概念）”、“牛頓第二定律（物體的加速度跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。）公式：F=ma”、“牛頓第三定律（兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一條直線上，大小相等，方向相反。）”牛頓法解非線性方程f（x）=0的牛頓（Newton） 法，就是將非線性方程線性化的一種方法。它是解代數方程和超越方程的有效方法之 一。一 牛頓法的基本思想把非線性函數f（x）在 處展開成 泰勒級數f（x）=f（ ）+（x- ）f′（ ）+（x- ） + …取其線性部分，作為非線性方程f（x）=0的近似方程，則有f（ ）+（x- ） f′（ ）=0設f′（ ）≠0，則其解為x = - （1）再把f（x）在x 處展開為泰勒級數，取其線性部分為f（x）=0的近似方程，若f′（x ） ≠0，則得x = - 如此繼續(xù)下去，得到牛頓法的迭代公式：x = -  （n=0，1，2，…） （2）例1 用牛頓法求方程f（x）=x +4x -10=0在［1，2］內一個實根，取初始近似值x =1.5。 解 f′（x）=3x +8x所以迭代公式為：x = - n=0，1， 2，…其它Apple Newton，由蘋果電腦公司制造的掌上電腦。Newton世界上第一款掌上電腦，由蘋果電腦公司于1993年開始制造，但是因為newton在市場上找不到其定位而需求量低而停止發(fā)展，1997年停止了生產。牛頓的勤奮學習一談到近代科學開創(chuàng)者牛頓，人們可能認為他小時候一定是個“神童”、“天才”、有著非凡的智力。其實不然，牛頓童年身體瘦弱，頭腦并不聰明。在家鄉(xiāng)讀書的時候，很不用功，在班里的學習成績屬于次等。但他的興趣卻是廣泛的，游戲的本領也比一般兒童高。牛頓愛好制作機械模型一類的玩藝兒，如風車、水車、日晷等等。他精心制作的一只水鐘，計時較準確，得到了人們的贊許。有時，他玩的方法也很奇特。一天，他作了一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(fā)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?！r間對人是一視同仁的，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一樣?！∨ｎD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?！爸R在于積累，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，扎扎實實、步步推進。他研究完了歐幾里德幾何學后，又研究笛卡兒幾何學，對比之下覺得歐幾里德幾何學膚淺，便悉心鉆研笛氏幾何學，直到掌握要領、融會貫通。遂之發(fā)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。有一天，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。于是，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。他一遍又一遍，終于求得了正確的數據。他快樂極了，急忙跑回家去，繼續(xù)進行研究?！∮兄菊呤戮钩?。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(fā)明了微分學，二十三歲時發(fā)明了積分學，為人類科學事業(yè)作出了巨大貢獻?！∨ｎD是個十分謙虛的人，從不自高自大。曾經有人問牛頓：“你獲得成功的秘訣是什么·”牛頓回答說：“假如我有一點微小成就的話，沒有其它秘訣，唯有勤奮而已?！鄙倌昱ｎD　1643年1月4日，在英格蘭林肯郡小鎮(zhèn)沃爾索浦的一個自耕農家庭里，牛頓誕生了。牛頓是一個早產兒，出生時只有三磅重，接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學巨人，并且竟活到了84歲的高齡。牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時，母親改嫁給一個牧師，把牛頓留在外祖母身邊撫養(yǎng)。11歲時，母親的后夫去世，母親帶著和后夫所生的一子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沉默寡言，性格倔強，這種習性可能來自它的家庭處境。大約從五歲開始，牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓并不是神童，他資質平常，成績一般，但他喜歡讀書，喜歡看一些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物，并從中受到啟發(fā)，自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意，如風車、木鐘、折疊式提燈等等。傳說小牛頓把風車的機械原理摸透后，自己制造了一架磨坊的模型，他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上，然后在輪子的前面放上一粒玉米，剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不斷的跑動，于是輪子不停的轉動；又一次他放風箏時，在繩子上懸掛著小燈，夜間村人看去驚疑是彗星出現；他還制造了一個小水鐘。每天早晨，小水鐘會自動滴水到他的臉上，催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻，尤其喜歡刻日晷，家里墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷，用以驗看日影的移動。牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為一個農民，但牛頓本人卻無意于此，而酷愛讀書。隨著年歲的增大，牛頓越發(fā)愛好讀書，喜歡沉思，做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時，曾經寄宿在一位藥劑師家里，使他受到了化學試驗的熏陶。牛頓在中學時代學習成績并不出眾，只是愛好讀書，對自然現象由好奇心，例如顏色、日影四季的移動，尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記，又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發(fā)明、小試驗。當時英國社會滲透基督教新思想，牛頓家里有兩位都以神父為職業(yè)的親戚，這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環(huán)境和活動中，還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異于常人的兒童。后來迫于生活，母親讓牛頓停學在家務農，贍養(yǎng)家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷，以至經常忘了干活。每次，母親叫他同傭人一道上市場，熟悉做交易的生意經時，他便懇求傭人一個人上街，自己則躲在樹叢后看書。有一次，牛頓的舅父起了疑心，就跟蹤牛頓上市鎮(zhèn)去，發(fā)現他的外甥伸著腿，躺在草地上，正在聚精會神地鉆研一個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父，于是舅父勸服了母親讓牛頓復學，并鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校，如饑似渴地汲取著書本上的營養(yǎng)。據說有一次，他去郊外游玩，之后靠在一棵蘋果樹下休息，忽然，一個蘋果從樹上掉下來。他覺得很奇怪，為什么蘋果會從上往下掉而不是從下往上升·他帶著這個疑問回到了家里研究，后來他通過論證發(fā)現原來地球是有引力的能把物體吸住。隨后，就出現了《牛頓物理引力學》。求學歲月1661年，19歲的牛頓以減費生的身份進入劍橋大學三一學院，靠為學院做雜務的收入支付學費，1664年成為獎學金獲得者，1665年獲學士學位。17世紀中葉，劍橋大學的教育制度還滲透著濃厚的中世紀經院哲學的氣味，當牛頓進入劍橋時，那里還在傳授一些經院式課程，如邏輯、古文、語法、古代史、神學等等。兩年后三一學院出現了新氣象，盧卡斯創(chuàng)設了一個獨辟蹊徑的講座，規(guī)定講授自然科學知識，如地理、物理、天文和數學課程。講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個博學的科學家。這位學者獨具慧眼，看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。于是將自己的數學知識，包括計算曲線圖形面積的方法，全部傳授給牛頓，并把牛頓引向了近代自然科學的研究領域。在這段學習過程中，牛頓掌握了算術、三角，讀了開普勒的《光學》，笛卡爾的《幾何學》和《哲學原理》，伽利略的《兩大世界體系的對話》，胡克的《顯微圖集》，還有皇家學會的歷史和早期的哲學學報等。牛頓在巴羅門下的這段時間，是他學習的關鍵時期。巴羅比牛頓大12歲，精于數學和光學，他對牛頓的才華極為贊賞，認為牛頓的數學才華超過自己。后來，牛頓在回憶時說道：“巴羅博士當時講授關于運動學的課程，也許正是這些課程促使我去研究這方面的問題?！碑敃r，牛頓在數學上很大程度是依靠自學。他學習了歐幾里得的《幾何原本》、笛卡兒的《幾何學》、沃利斯的《無窮算術》、巴羅的《數學講義》及韋達等許多數學家的著作。其中，對牛頓具有決定性影響的要數笛卡兒的《幾何學》和沃利斯的《無窮算術》，它們將牛頓迅速引導到當時數學最前沿～解析幾何與微積分。1664年，牛頓被選為巴羅的助手，第二年，劍橋大學評議會通過了授予牛頓大學學士學位的決定。1665～1666年嚴重的鼠疫席卷了倫敦，劍橋離倫敦不遠，為恐波及，學校因此而停課，牛頓于1665年6月離校返鄉(xiāng)。由于牛頓在劍橋受到數學和自然科學的熏陶和培養(yǎng)，對探索自然現象產生濃厚的興趣，家鄉(xiāng)安靜的環(huán)境又使得他的思想展翅飛翔。1665～1666年這段短暫的時光成為牛頓科學生涯中的黃金歲月，他在自然科學領域內思潮奔騰，才華迸發(fā)，思考前人從未思考過的問題，踏進了前人沒有涉及的領域，創(chuàng)建了前所未有的驚人業(yè)績。1665年初，牛頓創(chuàng)立級數近似法，以及把任意冪的二項式化為一個級數的規(guī)則；同年11月，創(chuàng)立正流數法（微分）；次年1月，用三棱鏡研究顏色理論；5月，開始研究反流數法（積分）。這一年內，牛頓開始想到研究重力問題，并想把重力理論推廣到月球的運動軌道上去。他還從開普勒定律中推導出使行星保持在它們的軌道上的力必定與它們到旋轉中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說，說的也是此時發(fā)生的軼事?？傊诩亦l(xiāng)居住的兩年中，牛頓以比此后任何時候更為旺盛的精力從事科學創(chuàng)造，并關心自然哲學問題。他的三大成就：微積分、萬有引力、光學分析的思想都是在這時孕育成形的?？梢哉f此時的牛頓已經開始著手描繪他一生大多數科學創(chuàng)造的藍圖。1667年復活節(jié)后不久，牛頓返回到劍橋大學，10月1日被選為三一學院的仲院侶（初級院委），翌年3月16日獲得碩士學位，同時成為正院侶（高級院委）。1669年10月27日，巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職，26歲的牛頓晉升為數學教授，并擔任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學生涯打通了道路，如果沒有牛頓的舅父和巴羅的幫助，牛頓這匹千里馬可能就不會馳騁在科學的大道上。巴羅讓賢，這在科學史上一直被傳為佳話。偉大的成就～建立微積分在牛頓的全部科學貢獻中，數學成就占有突出的地位。他數學生涯中的第一項創(chuàng)造性成果就是發(fā)現了二項式定理。據牛頓本人回憶，他是在1664年和1665年間的冬天，在研讀沃利斯博士的《無窮算術》時，試圖修改他的求圓面積的級數時發(fā)現這一定理的。笛卡爾的解析幾何把描述運動的函數關系和幾何曲線相對應。牛頓在老師巴羅的指導下，在鉆研笛卡爾的解析幾何的基礎上，找到了新的出路?？梢园讶我鈺r刻的速度看是在微小的時間范圍里的速度的平均值，這就是一個微小的路程和時間間隔的比值，當這個微小的時間間隔縮小到無窮小的時候，就是這一點的準確值。這就是微分的概念。求微分相當于求時間和路程關系得在某點的切線斜率。一個變速的運動物體在一定時間范圍里走過的路程，可以看作是在微小時間間隔里所走路程的和，這就是積分的概念。求積分相當于求時間和速度關系的曲線下面的面積。牛頓從這些基本概念出發(fā)，建立了微積分。微積分的創(chuàng)立是牛頓最卓越的數學成就。牛頓為解決運動問題，才創(chuàng)立這種和物理概念直接聯(lián)系的數學理論的，牛頓稱之為"流數術"。它所處理的一些具體問題，如切線問題、求積問題、瞬時速度問題以及函數的極大和極小值問題等，在牛頓前已經得到人們的研究了。但牛頓超越了前人，他站在了更高的角度，對以往分散的努力加以綜合，將自古希臘以來求解無限小問題的各種技巧統(tǒng)一為兩類普通的算法：微分和積分，并確立了這兩類運算的互逆關系，從而完成了微積分發(fā)明中最關鍵的一步，為近代科學發(fā)展提供了最有效的工具，開辟了數學上的一個新紀元。牛頓沒有及時發(fā)表微積分的研究成果，他研究微積分可能比萊布尼茨早一些，但是萊布尼茨所采取的表達形式更加合理，而且關于微積分的著作出版時間也比牛頓早。在牛頓和萊布尼茨之間，為爭論誰是這門學科的創(chuàng)立者的時候，竟然引起了一場悍然大波，這種爭吵在各自的學生、支持者和數學家中持續(xù)了相當長的一段時間，造成了歐洲大陸的數學家和英國數學家的長期對立。英國數學在一個時期里閉關鎖國，囿于民族偏見，過于拘泥在牛頓的“流數術”中停步不前，因而數學發(fā)展整整落后了一百年。應該說，一門科學的創(chuàng)立決不是某一個人的業(yè)績，它必定是經過多少人的努力后，在積累了大量成果的基礎上，最后由某個人或幾個人總結完成的。微積分也是這樣，是牛頓和萊布尼茨在前人的基礎上各自獨立的建立起來的。1707年，牛頓的代數講義經整理后出版，定名為《普遍算術》。他主要討論了代數基礎及其（通過解方程）在解決各類問題中的應用。書中陳述了代數基本概念與基本運算，用大量實例說明了如何將各類問題化為代數方程，同時對方程的根及其性質進行了深入探討，引出了方程論方面的豐碩成果，如：他得出了方程的根與其判別式之間的關系，指出可以利用方程系數確定方程根之冪的和數，即“牛頓冪和公式”。牛頓對解析幾何與綜合幾何都有貢獻。他在1736年出版的《解析幾何》中引入了曲率中心，給出密切線圓（或稱曲線圓）概念，提出曲率公式及計算曲線的曲率方法。并將自己的許多研究成果總結成專論《三次曲線枚舉》，于1704年發(fā)表。此外，他的數學工作還涉及數值分析、概率論和初等數論等眾多領域。