牛顿科学发展史上最亮的明星

　　现代人已经慢慢不能理解牛顿的伟大。你如果粗粗读读百度百科对牛顿的介绍，你只能知道牛顿做了什么，看不出有什么特别惊人之举。你如果更深入一步，去阅读牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》，结果应该也非常失望，因为你可能根本就读不懂。里面竟然用图形去解释最伟大的理论：微积分！不过伟岗认为，可能绝大多数人在这部伟大的著作中都找不到微积分的踪迹，反正伟岗是没有找到。只不过读到一些分析牛顿的书，才知道其实《自然哲学的数学原理》有很多微积分的知识。
　　所以我们今天还要来聊牛顿，这绝不是陈腐的重复，而是从不同的角度去了解牛顿，从而理解牛顿对科学发展的巨大作用。更为重要的是，激发潜在的天才，努力探索自然界的奥秘，为人类更好的生存发展做出贡献。
　　大家好，今天伟岗跟大家聊聊牛顿的贡献。对很多人来说，这个话题似乎已经是老生常谈，没有什么新鲜东西。然而又有多少人知道牛顿发明的艰辛和科学进步的艰难？大多数人只知道牛顿发明了微积分以及发现万有引力定律和运动规律，即所谓牛顿三大运动定律，又有几个人了解这些发明的过程和经历的曲折？伟岗准备从这些角度跟大家谈谈自己的体会。
　　文章开始之前，还是要感谢朋友同学的鼓励打赏，在现有的环境下，这样的支持尤为可贵！
　　跟大家的想象也许有很大的不同，牛顿在科学界崭露头角并不是凭微积分和万有引力定律，也不是凭他震惊世界的三大运动定律。事实上，当牛顿发表他名垂千古的科学巨著《自然哲学的数学原理》（1687年）时，他早已名满天下。牛顿的三大运动定律也是在1687年发表的论文《自然定律》中首次提到。而牛顿1669年就被授予卢卡斯数学教授席位。这个席位虽然是个荣誉称号，但是它一开始就被确定为剑桥大学最著名教授的名片。牛顿的导师巴罗是第一任卢卡斯数学教授，牛顿是第二任，接下来有很多世界著名的科学家担任过这个职位，比如，惠斯顿，保罗·狄拉克，霍金等，由此可见这个称号有很大的权威性。
　　牛顿是巴罗推荐而成为卢卡斯数学教授的，这除了说明巴罗独具慧眼，是不是有一点徇私的成分？因为牛顿就是巴罗的学生。不过从后来的结果看，巴罗这个行动非常正确，牛顿正是有了这个席位，才使得他排除很多艰难的阻碍，达到了当时科学的顶峰。
　　你要是以为牛顿生活在一个有利于科学发展的太平盛世，那你就大错特错了。虽然伟岗前面有一篇聊过，在大宪章的庇护下，牛顿一生都有惊无险，但是牛顿生活的时代真的只能算黎明前的黑暗，那样的黑暗是可以侵吞一切美好事物的。
　　细心的人都会注意到，牛顿思考的黄金时代发生了伦敦大鼠疫。超过8万人死于这次鼠疫之中，足足相当于当时伦敦人口的五分之一。后来又爆发了史称光荣革命的英国宪政抗争。虽然光荣革命没有流血，但是革命把当时的国王都赶出了英国，社会有很大程度的动荡是难免的。
　　面对动荡的社会，人们的第一选择就是放弃努力，沉迷享乐和放纵是牛顿时代大多数人的选择，这一点可能很多人都没有想到。人的本性和天性是一个很难琢磨的东西，动荡的社会造成人性的堕落，而人性的堕落又反过来加剧了社会的动荡。但同时人的天性又有很多积极的因素促使人类走出动荡毁灭的死循环，尤其重要地是，一些积极努力的人，用自己的思考抵制同流合污，成了人类生存发展的希望。
　　牛顿就是一个没有沉沦的天才。伦敦大鼠疫期间，牛顿回到了他的老家，并在老家呆了两年。正是这两年，牛顿思考出了物理学伟大定律之一：万有引力定律。同时还完善了他的微积分和物理学三大定律的理论。
　　BBC有牛顿传的纪录片，记录了那时候牛顿的苦闷。牛顿在回老家之前在剑桥大学。大学生活是社会最积极的反映。面对同学的花天酒地，牛顿在他的日记中不断鼓励自己学习，学习再学习。也许牛顿对自然界规律的痴迷远远大于人间的享乐，这使得他抵御住了狂欢的诱惑。没有记录显示牛顿当时有女友，唯一关系很好的就是他的室友。有阴谋论怀疑牛顿是同性恋，对象就是他的室友，但这些都是捕风捉影，没有一点根据。
　　事实上，牛顿的一生都没有感情瓜葛，这不知道是应该鼓励还是批评。牛顿的脾气也许不好，在成名之后，对反对他的人也采用了一些不好的手段。比如说对待胡克，还有就是莱布尼茨。然而，可以说牛顿的一生都是献给了科学研究，这一点是没有人能够否定的。
　　也许正是看中牛顿研究的潜力，巴罗才推荐牛顿做卢卡斯教授。不过牛顿在当时还是有震惊世界的发现，这个主要体现在光学方面。单凭这个就无愧于卢卡斯教授的名声了。
　　光的神秘可以说到了现代人们还不能很好理解。爱因斯坦的相对论把光的研究推到极致。光的速度竟然跟时间有关，甚至可以引发科学家产生时光倒流的推论，这也是爱因斯坦之前任何人都想不到的。牛顿是光学研究的先驱。由于后来他的微积分和万有引力定律等重大发现的巨大光芒，使得牛顿光学方面的发现才没有那么多的宣传。
　　牛顿是在1666年展示他的光学发现，那就是著名的三棱镜实验。这个实验揭示了白光是由不同颜色（即不同波长）的光混合而成的，不同波长的光有不同的折射率。在可见光中，红光波长最长，折射率最小；紫光波长最短，折射率最大。白光通过三棱镜展现出的光谱证明了牛顿光的理论。为了研究光学，牛顿甚至用自己的肉眼直接接触太阳光，差点造成眼睛的失明，由此可见牛顿对科学实验的痴迷。
　　光最奇妙的就是它的波粒二象性。也就是说，光既是波又是粒子，这一点常人很难理解。在牛顿那个年代，科学家对光还没有那么深的认识。牛顿只能说开启了人类探索光的历程。对光真正的认识还需要长时间的积累。
　　牛顿活跃的年代，也是科学家开始深入探索自然界的时代。所以说物理学是发展最快的学科。数学也是在物理的带动下，得到飞速发展。牛顿是在探讨物体运动规律时，发明了微积分。那个年代，各种运动轨迹是科学家思考的一个重要课题。而只有牛顿，通过研究运动轨迹，思考运动轨迹切线方向的确定，从而比他同时代人都深入了一步，正是这貌似小小的一步，带来了微积分大大的一个进步。光学上的发现是牛顿小试锋芒。不过正是这些发现，使得当时的科学界认识到牛顿的厉害，给了牛顿卢卡斯教授的位置，这以后，牛顿就可以不受至少是少受干扰进行科学研究了。
　　从后来的历史发展看，牛顿的研究进入了正轨，虽然有一些波折，但总体讲没人打断牛顿的发明历程，这才成就了历史上最伟大科学家的一生。光学研究成果是牛顿成功的敲门砖，世人从这些成果中认识到牛顿的天才和努力的精神，给了他相应的研究环境。同时当时的英国又处于鼓励科学家的大环境，女王和国王都认识到科技对国力的巨大影响。而且当时英国又有统治框架，限制女王和国王无限的权力，这一切一环扣一环，才使得一颗科学史上最闪亮的明星得以熠熠发光。
　　后来很多历史学家都有牛顿成功是偶然的看法。其实偶然中有必然。牛顿的成功主要靠他自己的努力，但是环境也给他发明之路扫清了障碍。一个痴迷思考自然界规律的天才，如果生活在我们天朝，那个年代是明末清初，社会最黑暗的时代，不要说科学上有建树，就是活下来都难。同样生活在地球，为什么差异就这么大？
　　不说牛顿时代，就说我们今天，其实也面临一些选择。这次面临挑战的领域是生物学。你要是仔细的对比，现在的生物学研究的环境跟牛顿时代研究天文学有很多类似的地方。
　　分子生物学的发展实际上正在挑战数学家的思维。生命运作的复杂性，很多现象似乎要超越数学逻辑的限制范围。拿基因研究为例，也许能说明一点问题。
　　生物学家的不断努力，使得基因测序成了一项可以满足精度的技术活。也就是说，只要机器先进，研究人员又有一定的技术，一个生物体，比如说一个人的基因序列是可以准确测量出来的。从理论上讲，一个人的基因序列决定了他很多身体机能和生命运作情况。简单地讲，一个人的基因序列可以决定他或者她是否会患有某些潜在的疾病，或者容易患上某些可能致命的遗传病。
　　基因的序列数据我们可以测量出来，我们再建立一个某些跟基因有关疾病的序列数据库（这可以通过对已经患有这些疾病相关人士测序得到数据），是不是我们就可以比较容易诊断出某个人是否倾向于患上这类病？
　　由于基因的序列在人出生时就基本确定了，虽然也会有一些基因突变，但不变是主流，所以从理论上讲，基因测序是可以确定很多遗传病的。只可惜事情比一个简单的数学公式要复杂的多。
　　基因序列是确定基因（也就是DNA）的碱基排列情况，碱基有四种，被生物学家命名为A，T，C，G。一个人的基因有30亿个碱基，要比较两个人的30亿个碱基，现在的数学公式就不够用了。有一门科学，叫生物信息学，就专门研究基因序列的规律。生物信息学所有的算法，都是想找出基因序列中的规律，可惜从目前的状况看，成功的例子还不多。几乎所有遗传疾病的基因序列竟然隐藏得非常深，深到现代数学的工具都无法发现！虽然我们有强大的计算机，有深奥的数学理论，可是要从一个30亿单元的序列中找到规律，还是捉襟见肘。
　　这种状况，很像我们发明微积分之前计算面积，体积。古希腊数学家用了很多需要超高技巧的逼近法来计算复杂的面积体积，得到的结果还不满意。可是一旦有了微积分工具之后，面积体积的计算，简直可以说是举手之劳。同样，科学家用了很多复杂的统计，预测等理论企图找到人类基因序列的规律，可是得到的好结果不多。我们是不是会有微积分这样的工具，来一举突破基因序列研究的难题呢？目前还没有一点迹象。
　　我们时代正呼唤着伟大科学家的诞生。漫漫长夜需要闪亮的明星，这样的明星也许会产生在我们或者我们子女之间。自己至少鼓励自己的小孩努力学习科学知识吧，人类命运的改善还是要靠我们自己。
　　好了，今天篇幅也不小了，暂时聊到这，文章结尾还是要谢谢各位朋友同学的鼓励打赏！