简介

艾萨克·牛顿爵士（1643年1月4日－1727年3月31）是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。1687年他发表《自然哲学的数学原理》，阐述了万有引力和三大运动定律，奠定了此后三个世纪里力学和天文学的基础，成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心学说提供了强而有力的理论支持，并推动了科学革命。

牛顿

在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。在光学上，他发明了反射望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。

在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。

在2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，在被调查的皇家学会院士和网民投票中，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。

早年生活

牛顿出生的房子，位于英格兰林肯郡埃尔斯索普

牛顿曾就读的国王中学

国王中学窗台牛顿的签名

1643年1月4日，艾萨克·牛顿出生于英国英格兰东密德兰林肯郡南凯斯蒂文埃尔斯索普的埃尔斯索普庄园。牛顿出生前三个月，他同样名为艾萨克的父亲刚去世。由于早产的缘故，新生的牛顿十分瘦小；据传闻，他的母亲汉娜·艾斯库曾说过，牛顿刚出生时小得可以把他装进一夸脱的马克杯中。当牛顿3岁时，他的母亲改嫁并住进了新丈夫巴纳巴斯·史密斯牧师位于北威特姆的家，而把牛顿托付给了他的外祖母玛杰里·艾斯库。年幼的牛顿不喜欢他的继父，并因母亲嫁给他的事而对母亲持有一些敌意，牛顿甚至曾经写下：“威胁我的继父与生母，要把他们连同房子一齐烧掉。”

据《大数学家》和《数学史介绍》两书记载：“牛顿在乡村学校开始学校教育的生活，后来被送到了格兰瑟姆的国王中学，并成为了该校最出色的学生。在国王中学时，他寄宿在当地的药剂师威廉·克拉克家中，并在19岁前往剑桥大学求学前，与药剂师的继女安妮·斯托勒订婚。之后因为牛顿专注于他的研究而使得爱情冷却，斯托勒小姐嫁给了别人。据说牛顿对这次的恋情保有一段美好的回忆，但此后便再也没有其他的罗曼史，牛顿也终生未娶。”

不过据和牛顿同时代的友人威廉·斯蒂克利所著的《艾萨克·牛顿爵士生平回忆录》一书的描述，斯蒂克利在牛顿死后曾访问过文森特夫人，也就是当年牛顿的恋人斯托勒小姐。文森特夫人的名字叫做凯瑟琳，而不是安妮，安妮是她的妹妹，而且夫人仅表示牛顿当年寄宿时对她只不过是“怀有情愫”的程度而已。

从12岁左右到17岁，牛顿都在国王中学学习，在该校图书馆的窗台上还可以看见他当年的签名。他曾从学校退学，并在1659年10月回到埃尔斯索普，因为他再度守寡的母亲想让牛顿当一名农夫。牛顿虽然顺从了母亲的意思，但据牛顿的同侪后来的叙述，耕作工作让牛顿相当不快乐。所幸国王中学的校长亨利·斯托克斯说服了牛顿的母亲，牛顿又被送回了学校以完成他的学业。他在18岁时完成了中学的学业，并得到了一份完美的毕业报告。牛顿的学业成绩如此优秀，部分原因是为了挑战和报复一个学校恶霸。剑桥心理学家西蒙·拜昂-柯恩认为，牛顿很可能患有亚斯伯格症候群。

1661年6月，他进入了剑桥大学的三一学院。在那时，该学院的教学基于亚里士多德的学说，但牛顿更喜欢阅读一些勒奈·笛卡儿等现代哲学家以及伽利略·伽利莱、尼古拉·哥白尼和约翰内斯·开普勒等天文学家更先进的思想。1665年，他发现了广义二项式定理，并开始发展一套新的数学理论，也就是后来为世人所熟知的微积分学。在1665年，牛顿获得了学位，而大学为了预防伦敦大瘟疫而关闭了。在此后两年里，牛顿在家中继续研究微积分学、光学和万有引力定律。

1667年，牛顿获得奖学金，作为研究生重返剑桥大学三一学院。按照规定，只有被正式任命的牧师才有资格成为剑桥大学三一学院的研究生，由于持有非正统的宗教观点，牛顿不愿意成为牧师。但牧师职位的任命没有最后期限，因此牛顿先获得了研究生的名额，而牧师职位的任命被无限期地延后了。但是等后来牛顿被任命为卢卡斯数学教授席位时问题就来了，如此重要的职位不可能回避牧师职位任命这一条件。然而，牛顿获得了查理二世的许可，还是绕开了这一限制。

中年生活

数学

多数现代历史学家都相信，牛顿与莱布尼茨分别独立发明了微积分学。根据牛顿周围的人所述，牛顿要比莱布尼茨早几年得出他的方法，但在1693年以前他几乎没有发表任何内容，并直至1704年他才给出了其完整的叙述。其间，莱布尼茨已在1684年发表了他的方法的完整叙述。两人创造了不同的微积分符号，欧洲大陆全面采用莱布尼茨符号，而英国坚持使用牛顿的微积分符号，直到1820年才全面采纳莱布尼兹的符号。莱布尼茨的笔记本记录了他的思想从初期到成熟的发展过程，而在牛顿已知的记录中只发现了他最终的结果。

牛顿与瑞士数学家尼古拉·法蒂奥·丢勒的联系十分密切，后者一开始便被牛顿的引力定律所吸引。1691年，丢勒打算编写一个新版本的牛顿《自然哲学的数学原理》，但从未完成它。在1694年这两个人之间的关系冷却了下来。在那个时候，丢勒还与莱布尼茨交换了几封信件。

1699年初，皇家学会（牛顿也是其中的一员）的成员们指控莱布尼茨剽窃了牛顿的微积分成果，这导致了激烈的牛顿与莱布尼茨的微积分学论战。最终英国皇家学会宣布牛顿是微积分真正的发明者，斥责莱布尼茨剽窃。但后来人们发现该调查评论莱布尼茨的结语是牛顿本人书写。这场持续多年的激烈纠纷，沾污了牛顿与莱布尼茨声誉，直到莱布尼茨在1716年往生后才暂时停止。

牛顿的一项被广泛认可的成就是广义二项式定理，它适用于任何幂。他发现了牛顿恒等式、牛顿法，分类了立方面曲线（两变量的三次多项式），为有限差理论作出了重大贡献，并首次使用了分式指数和坐标几何学得到丢番图方程的解。他用对数趋近了调和级数的部分和（这是欧拉求和公式的一个先驱），并首次有把握地使用幂级数和反转幂级数。他还发现了π的一个新公式。

他在1669年被授予卢卡斯数学教授席位。在那一天以前，剑桥或牛津的所有成员都是经过任命的圣公会牧师。不过，卢卡斯教授之职的条件要求其持有者不得活跃于教堂（大概是如此可让持有者把更多时间用于科学研究上）。牛顿认为应免除他担任神职工作的条件，这需要查理二世的许可，后者接受了牛顿的意见。这样避免了牛顿的宗教观点与圣公会信仰之间的冲突。

光学

从1670年到1672年，牛顿负责讲授光学。在此期间，他研究了光的折射，表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱，而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。

牛顿1672年使用的6英寸反射望远镜复制品，为皇家学会所拥有

他还通过分离出单色的光束，并将其照射到不同的物体上的实验，发现了色光不会改变自身的性质。牛顿还注意到，无论是反射、散射或发射，色光都会保持同样的颜色。因此，我们观察到的颜色是物体与特定有色光相合的结果，不是物体产生颜色的结果。

牛顿发现棱镜可以将白光发散为彩色光谱

由此，他得出如下结论：任何折射望远镜都会受到光色散成不同颜色的影响，并因此发明了反射望远镜（现称作牛顿望远镜）来克服这个困难。他自己打磨大直径的镜片，使用牛顿环来检验镜片的光学品质，从而制造出了优于折射望远镜的仪器。1671年，他向皇家学会展示了自己的反射望远镜，随后出版了自己的光学笔记，后来扩编为《光学》一书。罗伯特·胡克批评了牛顿的某些观点，牛顿对此很不满，并退出了辩论会。两人自此以后成为了敌人，这一直持续到胡克去世。

牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，并会因加速通过光密介质而折射，他认为薄膜的折射和透射现象可以用光的“波动理论”来解释，但自己的“微粒理论”才能更好地解释光学现象，如衍射。1704年，牛顿著成《光学》，其中他详述了光的粒子理论。他认为光是由非常微小的微粒组成的，而普通物质是由较粗微粒组成，并推测如果通过某种炼金术的转化“难道物质和光不能互相转变吗？物质不可能由进入其结构中的光粒子得到主要的动力吗？后世的物理学家多持波动理论观点。后来的量子力学则认为光有波动和微粒二重性，称为波粒二象性，虽然该理论中的“微粒”光子与牛顿理论中的“微粒”差别很大。

1675年出版的《解释光属性的假说》中，牛顿认为粒子间力的传递是透过以太进行的。不过牛顿在与神智学家亨利·莫尔接触后重新燃起了对炼金术的兴趣，并改用源于赫密斯神智学中粒子相吸互斥思想的神秘力量来解释，替换了先前假设以太存在的看法。拥有许多牛顿炼金术著作的经济学大师约翰·梅纳德·凯恩斯曾说：“牛顿不是理性时代的第一人，他是最后的一位炼金术士。”[10] 但牛顿对炼金术的兴趣却与他对科学的贡献息息相关[11]，而且在那个时代炼金术与科学也还没有明确的区别。如果他没有依靠神秘学思想来解释穿过真空的超距作用，他可能也不会发展出他的重力理论。

牛顿使用玻璃球制造了原始形式的摩擦静电发电机。

力学

1679年，牛顿重新回到力学的研究中：引力及其对行星轨道的作用、开普勒的行星运动定律、与胡克和佛兰斯蒂德在力学上的讨论。他将自己的成果归结在《物体在轨道中之运动》一书中，该书中包含有初步的、后来在《自然哲学的数学原理》中形成的运动定律。

《自然哲学的数学原理》（现常简称作《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下于1687年7月5日出版。该书中牛顿阐述了其后两百年间都被视作真理的三大运动定律。牛顿使用拉丁单词“gravitas”（沉重）来为现今的引力命名，并定义了万有引力定律。在这本书中，他还基于波义耳定律提出了首个分析测定空气中音速的方法。

《原理》的出版使牛顿成为当时最有影响力的科学家。牛顿与其中的瑞士数学家尼古拉·法蒂奥·丢勒建立了非常亲密的关系，直到1693年他们的友谊破裂。

晚年生活

牛顿在1690年代写了很多处理圣经的文字解释的宗教小册子。亨利·摩尔的宇宙信仰和拒绝笛卡儿二元论影响了牛顿的宗教观念。在他发给约翰·洛克的一个从未发表的手稿中，他质疑了三位一体的存在性。

1696年，牛顿通过了当时的财政大臣查尔斯·孟塔古的提携迁到了伦敦作皇家铸币厂的监管，一直到去世。他主持了英国最大的货币重铸工作，此职位一般都是闲职，但牛顿对该职位非常认真。他估计大约有20%的硬币是伪造的。伪造货币在英国是大逆罪，会被处以极刑。为那些恶名昭著的罪犯定罪是非常困难的；不过事实证明牛顿做得很好。

他掩饰自己的身份而搜集了许多证据，然后公布于酒吧和客栈里。英国法律保留了古老且麻烦的习惯，为的是让起诉有一定的门槛，并将政府部门从司法中分离开来。牛顿为此当上了太平绅士，并在1698年6月到1699年圣诞节间引导了对200名证人、告密者和嫌疑犯的交叉讯问。而最后牛顿得以胜诉，并在1699年2月执行了10名罪犯的死刑。

也许牛顿最伟大的胜利是以国王法律代理人的身份与威廉·查洛纳对质。查洛纳密谋策动一起假的天主教阴谋活动，然后检举那些不幸被他诱骗来的共谋者。在向国会请愿时，查洛纳控告铸币厂有偿地将工具提供给造伪币者，并请求国会允许他检查铸币厂的生产过程以证明他的控告。他还请求国会采纳他所谓的“无法伪造的造币过程”及“打击假币的计划”。此时，牛顿被激怒了，并开始着手调查，以查出查洛纳做过事情。在调查中，牛顿发现查洛纳参与了伪币制造。他立刻起诉了查洛纳，可是因为查洛纳在高层有一些朋友，所以他被无罪释放了，这让牛顿感到不满。在第二次起诉中，牛顿提供了确凿的证据，并成功地使查洛纳被判处大逆罪。1699年3月23日，查洛纳在泰伯恩行刑场被车裂。

1701年，牛顿辞去卢卡斯数学教授后。在改革对低成色货币和伪币的流通和惩罚上锻炼了他的能力。牛顿在1717年通过安妮女王法案创立了在金币和银币之间的联系，非正式的把英镑钱币从银本位转移到了金本位；这在当时是重大的改革，相当程度的增加英格兰的财富和稳定。1705年，安妮女王授予牛顿爵士身份，牛顿是第二个被授勋的英国科学家，第一个是弗兰西斯·培根。

逝世

威斯敏斯特教堂内的牛顿之墓

牛顿于1727年3月31日在伦敦逝世，于西敏寺举行国葬，成为史上第一个获得国葬的自然科学家。

1970年代，对牛顿头发的化学分析显示其中水银含量比正常值超出50多倍，最可能的解释是他从事炼金术所致。汞中毒可能解释牛顿晚年的一些怪异行径。

牛顿之墓位于西敏寺中殿，墓地上方耸立着一尊牛顿的雕像，其石像倚坐在一堆书籍上。身边有两位天使，还有一个巨大的地球造型以纪念他在科学上的功绩。

英格兰诗人亚历山大·蒲柏为牛顿写下了以下这段墓志铭:

自然和自然的法则隐藏在黑暗之中。上帝说：让牛顿出世吧，于是一切豁然开朗。

自然哲学与宗教观点

牛顿反对将宇宙解释为一部纯粹的机器，譬如一座大钟。他说：“引力解释了行星的运动，但却不能解释谁让行星运动起来的。上帝统治万物，知晓所有做过和能做的事。”

牛顿在《圣经》与早期教会父老上的研究也值得注意。牛顿写作了一些圣经批判的作品，最著名的就是《两处著名圣经讹误的历史变迁》。牛顿还摆放了一座与传说日期公元33年4月3日相符的耶稣·基督受难像。他亦尝试，但未成功地，去寻找《圣经》中隐藏的消息。

牛顿可能拒绝了教会的三位一体教义。在少数的观点里，T·C·普菲岑迈尔（T.C. Pfizenmaier）认为他更像是持有东方东正教三位一体观，而不是西方天主教、圣公宗和大部分新教教派的观点。在他的时代里，牛顿（与不少活跃于皇家学会和查理二世宫廷的人士一样）被指是玫瑰十字会的会员。

在他的一生中，牛顿写作了比自然科学更多的宗教学著述。他相信一个理性的主观世界（immanent world），但他却拒绝莱布尼茨和巴鲁赫·斯宾诺莎深信的万物有生论。因此，有序且动态的（ordered and dynamically informed）宇宙可以被理解，而且必须以主动的理性（active reason）去理解，但是这个完美且注定中的宇宙，必须有规律地运行。牛顿坚持认为，由于不稳定性的累积和缓慢增长，必须有神的不断干预来改良宇宙这个系统。为此，莱布尼茨讽刺牛顿说：“神必须时不时地给他造的钟上发条，否则这个钟就会停摆。看起来，他没有能力让这个钟永远运行。”

德国哲学家黑格尔批评牛顿的光学是“粗野的反思方式”，但黑格尔武断的自然哲学观点也使黑格尔的哲学体系在科学界名誉扫地。

牛顿在宗教思想上的影响

牛顿与罗伯特·波义耳的机械论学说被理性主义作者提升成了泛神论和狂热论的一个可行替代选项，并为东正教传教士与宗教自由主义（Latitudinarian）一类的异见传教士有保留地接受了[21]。这样，科学的清晰简洁，使得无论是在迷信者还是无神论者中，均无人可以企及，亦无人可以驳斥之[22]。而与之同时，英国自然神论者的第二波浪潮使用了牛顿的发现来论证“自然宗教”的可能性。

威廉·布莱克的名画《牛顿》。在这幅画中，牛顿被贬低为一位“神学几何学者”

波义耳的机械论宇宙观给出了不利于启蒙时代前的“魔法思想”和基督教神秘元素存在基础的抨击。牛顿通过数学证明的方式完善了波义耳的思想，并且，也许更重要的一点是，它们的普及也是非常成功的。[23] 打比方说，如果原来的世界是干涉主义的上帝所统治之世界的话，那么牛顿就将它变成了用理性及普遍原理进行设计的上帝所创造之世界。[24] 这些原理让每个人都能去获取知识，让每个人都能在此生此世积极地追求自身目标，并让每个人都能用自身的理性力量来完善自我。

牛顿视上帝为造物者，因此认为在面对着所有生物之宏伟时，祂的存在便是不容否认的。但他的上帝观产生了无法预见的神学结果，如同莱布尼茨指出的那样，上帝现在已经完全地从世界事务中隐退了：对干涉的需要只会证明上帝作品中的一些瑕疵，而这对一个完美且全能的造物主来说是不可能的事。莱布尼茨的神正论将上帝与参与祂的创造物的行为中分离开，从而消除了上帝在“罪恶问题”中承担的责任。于是，对世界的理解便降低到了个体原因的水平，而人类，如同奥多·马夸德所认识的那样，应为修正和消灭罪恶承担责任。

从另一方面说，宗教自由主义和牛顿学说的思想对千禧年主义的产生具有深远的影响。千禧年主义是一个相信机械论宇宙观的宗教派别，但其在实际上与狂热论和神秘论如出一辙。启蒙运动为了消灭它而与之进行了艰苦的斗争。

牛顿运动定律

著名的三大运动定律：

1.牛顿第一定律（亦称惯性定律）指出，一个静止状态的物体趋向于保持静止状态，而在匀速运动中的物体趋向于保持匀速状态，除非受到合外力的作用。它阐述了力和惯性这两个物理概念，解释了力和运动状态的关系，并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的特性——惯性，是物理学中一条重要的基本定律。

2.牛顿第二定律指出，作用于一个物体上的作用力等于其动量随时间的变化率。这说明了一个物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与其质量成反比。在米－千克－秒的度量衡系统下，质量的单位为千克，加速度为米每二次方秒，力为牛顿（为纪念他而命名）。

3.牛顿第三定律指出，每个作用力都有一个等值反向的反作用力。

两个物体之间的作用力F和反作用力F´,沿同一直线,大小相等,方向相反,分别作用在两个物体上。

名言

法国数学家约瑟夫·拉格朗日常常说牛顿是迄今为止最伟大的天才，他还曾经评价牛顿是“最幸运的，因为我们已经无法再创立一个世界体系了。”

有观点认为牛顿本人对他自己的成就非常谦逊，1676年，在他写给罗伯特·胡克的一封信中出现了一句名言：

如果我比别人看得更远，那是因为我站在巨人的肩上。

牛顿在一篇回忆录中写道：但有两位作家John Gribbin和Michael White认为，这其实是牛顿对胡克（身材矮小并驼背）的讽刺，而不含有——或除此外不含有——谦逊的意味：

我不知道这个世界会如何看我，但对我自己而言我仅仅是一个在海边嬉戏的顽童，为时而发现一粒光滑的石子或一片可爱的贝壳而欢喜，而我面前的伟大的真理的海洋依然未经探索。