艾萨克·牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日,公历)是英国数学家和自然哲学家,其著作为经典力学奠定了重要基础。作为科学革命的核心人物,他提出了运动定律和万有引力定律,独立于戈特弗里德·威廉·莱布尼茨发展了微积分,并研究了白光的组成。他最主要的科学著作是《自然哲学的数学原理》(1687年)和《光学》(1704年)。他的活动还涉及炼金术、圣经研究以及英国铸币事务的管理。(newtonproject.ox.ac.uk)
早年生活与剑桥生涯
牛顿出生于林肯郡的伍尔索普,出生前父亲已经去世。按照当时英国使用的儒略历,他的出生日期记为1642年12月25日,对应公历1643年1月4日。母亲再婚后,他童年的一段时期由外祖母照料。他在格兰瑟姆上学,并于1661年进入剑桥大学三一学院。(newtonproject.ox.ac.uk)
1665年获得学士学位后,牛顿因瘟疫导致剑桥大学停课而返回林肯郡。1665年至1666年间,他在数学、引力和光学方面形成了一些重要思想,不过这些研究后来仍需大量完善。1667年,他成为三一学院院士;1669年,他接替艾萨克·巴罗,担任卢卡斯数学教授。他早期的讲课主要围绕光学问题展开,而非仅限于纯数学。(newtonproject.ox.ac.uk)
数学与微积分
牛顿的微积分将量视为由连续变化产生。他把变化的量称为“流量”,把它们的变化率称为“流数”;这两个概念大体上分别对应函数和导数。他的方法把求瞬时变化率与求累积量这一逆向问题联系起来,后者如今用积分来表述。这些研究为求切线、面积以及解决运动相关问题提供了方法。他的许多早期成果在正式发表前以手稿形式流传。(newtonproject.ox.ac.uk)
牛顿还将二项式定理的适用范围从非负整数指数推广到更广的情形,并研究了幂级数。他发展了求方程根的近似值的方法,与今天所称的牛顿法有关。这些贡献丰富了17世纪数学家可用的计算手段。(explore.trin.cam.ac.uk)
戈特弗里德·威廉·莱布尼茨在1670年代独立发展了微积分,并于1684年发表了相关论述。随后,一场旷日持久的优先权之争使双方的支持者分成了对立阵营。牛顿较早的手稿确立了其发现的时间顺序,但莱布尼茨的独立发展也得到承认;将这段历史简单描述为一位数学家抄袭另一位,并不准确。(newtonproject.ox.ac.uk)
运动与万有引力
1687年以拉丁语出版的《自然哲学的数学原理》,提出了一套描述地面物体和天体运动的数学体系。埃德蒙·哈雷于1684年拜访牛顿,推动了最终形成这部著作的研究。书中将数学论证与对已观测天文现象的解释结合起来。(newtonproject.ox.ac.uk)
牛顿的三大运动定律分别描述了惯性、力与动量变化的关系,以及相互作用物体之间大小相等、方向相反的力。用现代符号表示,对于质量不变的物体,第二定律通常写作 。第三定律所说的力作用于不同物体,而不是在同一物体上相互抵消的两个力。(www1.grc.nasa.gov)
他的引力理论认为,吸引作用具有普遍性:每个物质粒子都会吸引其他所有物质粒子。对于两个质点,引力与两者质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。这为地球附近物体的下落,以及月球和行星的轨道运动提供了统一解释。牛顿证明了平方反比关系如何解释约翰内斯·开普勒所确立的行星运动规律。(cdaweb.gsfc.nasa.gov)
光与光学仪器
牛顿的光学研究确立了白光由不同颜色的成分混合而成。他的棱镜实验表明,玻璃分离的是光中原本就存在的颜色,而不是通过改变原本均一的光来产生颜色。各成分的折射程度不同,因此会分离形成光谱。(newtonproject.ox.ac.uk)
他还制作了第一台实用的反射望远镜,以反射镜而非大型物镜来收集光。《光学》系统整理了他的实验研究,并陆续收录了多组“疑问”,探讨有关光、物质和自然过程的更广泛问题。这些“疑问”提出的是研究问题和推测性设想,并非把每一种主张都当作已经确立的结论。(explore.trin.cam.ac.uk)
炼金术与宗教研究
牛顿投入约三十年研究炼金术,在他所处的时代,这类研究常被称为“chymistry”。他在这一领域留存下来的著述和抄录资料约有一百万词。除了广为人知的数学研究外,这些大多未公开的工作也是他学术活动的重要组成部分。(newton.dlib.indiana.edu)
他对基督教的研究涵盖圣经诠释、预言、年代学和早期教会史。他私下否定了正统的三位一体教义。这些立场在他生前通常未向公众披露,而他的神学手稿所记录的兴趣范围,远比其已出版的科学著作广泛。(newtonproject.ox.ac.uk)
公职与晚年
牛顿于1696年出任皇家铸币局监察官,1699年升任局长,并任职至去世。他参与了大规模的银币重铸,调查剪削硬币边缘和伪造货币的行为,并强调硬币重量和金属成色必须准确。他在铸币局的任职包含长期的行政职责,而非仅仅担任荣誉职位。(royalmintmuseum.org.uk)
1703年,他当选英国皇家学会会长,1705年获封爵士。牛顿于儒略历1727年3月20日去世,即公历3月31日,随后安葬于威斯敏斯特教堂。他留存的笔记本、通信以及带有批注的出版物,记录了他通过实验、计算、与他人交流和反复修订来发展其研究的过程。(fitzmuseum.cam.ac.uk)