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牛顿在热力学方面的成就主要有两项,一个是在1701年提出了一种温度计刻度方法,他将水的冰点取作零度,人的体温定为12度。当然前提是温度计中所用流体的膨胀系数假定为常数,不会随着温度的变化而改变。第二个是在1701年发现了温度高于周围环境的物体逐渐冷却时所遵循的规律,称为牛顿冷却定律。
【黄氏点评:】牛顿把温度计刻度定为0-12度,是因为英国在某些领域曾经采用12进制,比如说
如果说牛顿的光学是不完整的科学,那对热力学,牛顿可以说尚未入门,当然,那首先是因为热力学本身的发展还未入门。
牛顿能够取得如此之多的成就,当然有多方面的原因,其中很重要的一点是他采用了各种各样的科学研究方法,这些方法并不一定是他首创的,但是他都把它们发挥到了极致。这些方法总结如下:
方法一:积累和总结前人知识
牛顿在《原理》中列举的力学定律,是在前人积累的丰富的动力学知识的基础上,再加上他自己大量的观察、实验、计算等辛勤劳动才总结出来的。比如运动第一、第二定律是以伽利略提供的宝贵数据为基础的,第三定律也从惠更斯、胡克的研究成果中获得了有益的启示,推导万有引力定律就利用了开普勒行星运动三定律,而牛顿在《原理》中研究天体运动情况时引用了大量天文学家的观测数据。
牛顿曾一再表示,运动定律的得出,在很大程度上是因为他从前人或同时代的科学家那里获得了许多有用的知识。正象他自己所说的那样“如果说我看得远,那是因为我站在巨人的肩上”。这些巨人有:
数学:欧几里德、笛卡尔、莱布尼茨等。
力学:达芬奇、伽里略、惠更斯、胡克等。
天文学和引力思想:哥白尼、第谷、开普勒、吉尔伯特、布里阿德、玻列利等。
【黄氏点评:】牛顿说他是站在巨人肩膀上的,这句名言不仅说明了牛顿的谦虚,更揭示了科学技术发展的连续性和继承性。也表明了牛顿学习异常勤奋,他如果不进行大量阅读,是不可能了解这么多人的知识的。而他如果不花费大量时间进行整理分析,也是不可能把这么多人的知识总结成为自己的科研成就的。这就是继承创新。
知识的创新发展是需要积累的,只有大量总结分析前人积累的科技知识,才有可能取得突破。然而知识的积累是需要时间的,我们可以从一条主要的人链来看:达芬奇-哥白尼-吉尔伯特-第谷-开普勒-伽利略-惠更斯-胡克-牛顿,其时间跨度至少在两百年以上,而牛顿到麦克斯韦在一百多年,麦克斯韦到爱因斯坦至少在七十年以上。虽然科学大突破的时间在缩短,但这种知识的时间淀积过程必须是有的,因此在科技方面急功近利和投机取巧都可能适得其反,韩国发生的黄禹锡事件和上海某高校发生的芯片造假事件都是这样的代表。
不过要完成这样的知识积累,还须要更多具有科学献身精神的人勤学苦干,并且发挥他们的聪明才智。无数事实表明,物理学史上每个重要成就都是那些著名物理学家花费几年甚至数十年以上的时间,克服了无数困难才获得的,即使是那些偶然发现的现象。这就是为何机遇只偏爱那些有准备的头脑。这个问题也许可以更深一步分析。
方法二:直觉和耐力
直觉就是一种洞察力。牛顿具有无与伦比的直觉洞察力,他通过对日常生活小事的观察,结果作出了科学史上一个个重要的发现。他第一个猜出行星绕日运行与苹果落地,是同一种引力作用的结果。他创立动力学和万有引力理论,也发明微积分。牛顿的朋友摩根说:“牛顿对自己的猜测非常高兴,似乎是他所知道的,远比他所能证明的要多得多。”“证明”不是牛顿用来发现未知世界的工具,而是事后为了去把他的发现检验一番,或做给别人看的。
耐力就是不断思考一个科学问题直到弄清楚为止的力量。牛顿能连续几小时、几天和几个星期想一个问题,直到问题解决。他曾经说过:“每一个目标,我都要它停留在我眼前,从第一线曙光初现开始,一直保留,慢慢展开,直到整个大地一片光明为止。”“我并无特别过人的智慧,有的只是坚持不懈的思索而已。”这两句话,可以说概括了牛顿作科研的本领和成功的秘诀,其实就是一种超人的耐力。
有人问牛顿:“你是怎么发现万有引力的?”牛顿回答说:“持续不断地思考它。”
【黄氏点评:】很多伟大的物理学家都强调直觉的重要,但是直觉究竟是天生的还是后天培养出来的?我的感觉是天生的成份大一些,后天培养主要是指知识的积累,知识积累得越多越广,就越容易直觉出某些问题和困难。本质上说,直觉似乎是一种怀疑/判断性,就是以一种怀疑的眼光看待一切物理现象和理论,然后做出某种判断并进行数学论证。
那牛顿为何能够有如此耐力?我觉得可能与爱好和性格等有关系。首先必须要有强烈的爱好才能产生如此耐力,强烈的爱好能够让一个人为着其目标不怕苦不怕累、不计报酬得失,这样更容易成就大事。这也是为什么教育应该兼顾个体爱好的道理。
牛顿生性沉默寡言,这样的性格更适合于埋头苦干,很难想象一个夸夸其谈或热衷于人际关系的人能够静得下心来长期研究一个问题。在我国的传统教育中比较看重人际关系,维护人际关系是很消耗时间和精力的,其实并不利于做科研,一个潜心做科研的人一定要限制其人际关系,牛顿一生就没几个朋友,爱因斯坦为什么感觉孤独,这都是科研的本质导致的。
其实这又带来了矛盾,因为注重人际关系虽然不利于做科研,但是有利于业务和生意,有利于保住自己的工作和饭碗。这就涉及到科研环境问题,其实从物理学史上来看,科研成果主要出在大学和专门的科研机构,因为这种地方工作相对比较稳定,不需要为了生存而去攀附过多的人际关系,科研人员可以把全部时间和精力放在科研上,自然容易出成果。
但是中国官方的大学和专门的科研机构数目和人数都如此众多,却为何从来就没有出过一项世界一流的物理基础发现成果?有人说是社会制度的原因,可是不光大陆是这样,台港澳也是这样,而且不光1949年后是这样,从民国时候到现在一直都是这样。倒是海外留学人员和华人取得重要成就的越来越多。原因可能是多方面的,需要从社会制度、教育、历史、经济、文化、民族特性等多个角度去分析。
(未完待续)
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