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第四章 科学发明奇人（第1页）

1．阿基米德是如何发现浮力定律的

阿基米德（公元前约287年一公元前约212年）是古希腊伟大的数学家、物理学家，是静力学和流体力学的创始人。他那句著名的“给我一个支点，我就可以撬动整个地球”成为自古至今众多有志者的座右铭。而他发现浮力定律的过程至今仍为人所津津乐道。

阿基米德约公元前287年出生于希腊西西里岛的叙拉古附近的一个小村庄。父亲费吉亚是一位数学家和天文学家，是叙拉古王希隆的亲戚。他自幼受到了良好教育，11岁时有机会到了当时世界著名的学术中心、被誉为“智慧之都”的亚历山大城学习，受教于欧几里德的门徒柯农，学习了哲学、数学、天文学和物理学等知识。通过刻苦的学习，阿基米德最终汲取了先进的希腊文化的精华，掌握了丰富的文化知识。公元前240年，阿基米德由埃及回到故乡叙拉古，专心从事科学研究，并担任了国王的顾问。这之后，他在物理学、数学等领域取得了举世瞩目的成果，成为古希腊最伟大的科学家之一。

据说，阿基米德每天都沉浸在对科学无尽的探索氛围中，对科学的孜孜以求达到了废寝忘食的程度，他甚至常常被人逼着才去洗澡。可就在擦香膏的这个时候，他还要在地上画几何图形，甚至用手指在涂了香膏的肚皮上画那些条条杠杠。阿基米德是把技术实践和严密的数学推理结合起来进行静力学系统研究的第一人，他非常注意对具体科学技术领域中具体问题的研究。在数学上，阿基米德大大发展和加深了著名的“穷竭法”，即把要求面积（或体积）的曲线形分割成若干直线形，无限加多这些直线形的数目，则这些直线形面积（或体积）的总和，就是所求的曲线形的面积（或体积）。他熟练地运用这种方法来推演抛物线弓形、圆形、螺线的体积和面积以及抛物面体、椭球体等集合体的体积。他在求积问题上的力学分析方法和“穷竭法”思想在某种意义上可以说是开辟了后来牛顿等人完成的微积分的先河。“阿基米德螺旋”直到现在仍被广泛应用于机械设计之中，凸轮的轮廓线若采用阿基米德螺旋线，就可以把匀速圆周运动转化为匀速直线运动。

阿基米德在物理学方面最突出的贡献是证明了静力学中的杠杆原理和流体力学中的浮力定律。

当时叙拉古的国王是希隆二世，他和阿基米德是亲戚的关系。当阿基米德在向希隆二世解释他所发现的现今仍被广泛运用的“重量比等于距离反比”的杠杆原理时，他曾自豪地说：“假如给我一个支点，我就能撬动整个地球。”国王听后认为这是他的口出狂言。当时国王要阿基米德移动一艘满载重物和乘客的三桅船，阿基米德针对这项任务设计出了一套杠杆滑轮系统，利用这套系统只要施加很小的力就能把很重的物体拉动。表演那天，观看的人人山人海，人们都争先目睹阿基米德是如何移动那艘大船的。一切准备就绪后，他将绳的一头交给了国王，国王轻轻地拉动绳子，大船就缓慢地移动了。这情景使在场的人无不目瞪口呆，人们奔走相告，一时成了轰动全国的新闻。国王对此也是心悦诚服。

关于阿基米德如何发现浮力定律一事，更是戏剧性颇强，著名的古罗马建筑学家维特鲁维阿曾讲过一个后世流传甚广的阿基米德为国王鉴定金王冠的故事。希隆二世派人制作了一顶金王冠，但是，他总是怀疑金匠悄悄地偷了他的金，在王冠中掺了同等重量的银。于是，国王请来他所信赖的阿基米德来鉴定王冠，条件是不许弄坏王冠。阿基米德接受了这个任务后，一时也不知如何着手解决。一天，阿基米德在洗澡时由于澡盆的水太满，以致他一进澡盆水就溢了出来，而他则感到自己的身体微微上浮。同时他也发现身体浸入水中的越多、水流出的也越多。这时，出于对科学发现的敏感性，他突然萌生出一个想法：水具有流动性和不可压缩性，相同重量的物体，由于体积的不同，排出的水量也不同。如果王冠是纯金所制作的，那它排开的水量就应该比掺进银时排开的水量小，因为同体积的银比金要轻得多，掺了银的王冠的体积一定比同重量的纯金王冠体积大。想到这里，阿基米德兴奋地从浴盆中跳出来，一丝不挂地从大街上跑回家。当他的仆人气喘吁吁地追回家时，发现他已经在做起实验来了。经过多次的实验验证，阿基米德最后得出结论——浸在液体中的物体要受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开液体的重量，这就是著名的阿基米德定律，在著名的《论浮体》中详细记载了这个原理。直到现在这一定律仍然被所有中学物理教材列为最古老的物理定律。

在第二次布匿战争时期，阿基米德利用自己的聪明才智率领叙拉古人民顽强地抵抗了罗马外敌的入侵。他利用杠杆原理制造的“抛石机”，在当时的战争中曾起到了重要作用。不过由于双方实力相差悬殊，最终，在公元前212年的一天，罗马大军利用叙拉古人民正在庆祝他们一年一度的阿尔杰米达节，大举攻占了叙拉古城。当马赛拉斯率领士兵闯进了阿基米德的房间时，发现阿基米德全然不知叙拉古城已被罗马军队攻破，还在全神贯注地研究一个几何图形。面对罗马士兵的屠刀，他镇静自若地高声斥责罗马士兵说：“不要碰我的图纸!”尽管在破城之后马赛拉斯出于对阿基米德的尊敬曾下令不得伤害阿基米德，但野蛮的罗马士兵还是用剑刺向了这位75岁的老人。马赛拉斯为此感到十分的痛心，下令对杀害阿基米德的凶手进行严惩，并为他修建了一座颇为壮观的坟墓。不仅如此，还根据阿基米德生前遗愿，在墓碑上铭刻上了标明其体积之比为三比二的一个圆柱体和内切球。

在科学发展史上，阿基米德是力学时代的标志，他是古希腊最伟大的物理学家之一，也是当时世界上最有创建的科学家之一。他在数学方面的研究成果卓著，人们常把他和牛顿、高斯并列为有史以来贡献最大的三大数学家。他对科学那执著的追求将永远值得我们去学习。

2．阿基米德“死光”之谜

阿基米德是古希腊著名的学者、科学家，他知识渊博、著述丰富，创造了很多奇迹，解决过不少难题。他以数学技能和能将共用于制造武器方面而著称，世间流传着很多有关阿基米德的故事，其中阿基米德利用镜子烧毁罗马战船的故事很富有传奇色彩。

故事是这样的，在罗马人和希腊人的战争进行了很长时间，互有胜负。有一次，罗马人侵略叙拉古，却发现对方士兵们手里只拿着镜子，就在船要靠近西西里岛时，一道光柱从岸边射来，他们的船顿时烈焰升腾，罗马人成了太阳能“死光”最早的牺牲品。这次指挥制造“死光”的人就是阿基米德，他是利用镜子的聚光作用烧毁了罗马人的战船。

几个世纪以来，学者们对古代伟大的科学家阿基米德，如何在公元前212年利用聚集的太阳能摧毁罗马舰队，始终争论不休。有历史学家说，当时的人并不了解光学和镜子的知识，这只是一个传说。但是，不久前的一份研究表明，某些古代文明包括阿基米德的文明在内，已经有了相当发达的光学知识，他们可以制造出望远镜，而且已经掌握了“燃烧镜”的使用。

肯塔基州的路易斯维尔大学科学哲学和历史学教授罗伯特·泰普尔重译了详细描述古代文明与光学有关的文本，在《透明的太阳》一书中，令人耳目一新地描述了阿基米德利用镜子对付罗马人的过程。那些文本中最古老的是，由一位叫卢奇安的历史学家和一位名为伽仑的医学家在那次围城300多年后写成的作品。泰普尔相信，这些学者读过现在已经丢失的阿基米德同时代人、希腊历史学家波利比阿的著作。在他的遗作中存在着大量对罗马崛起成为世纪主宰的描写，所以波利比阿在当时极受崇拜。

对于泰普尔说，真正的铁证来源于后来对阿基米德功绩的重新验证。第一次在6世纪拜占庭首都君士坦丁堡，整个城市被敌舰围困，直到有几十人手持镜子，放火烧了敌舰，他们才算得救。现代科学家也重做了同样的试验。1973年，希腊科学家伊奥安尼斯·萨卡斯，决定来检验是否能用“燃烧镜”点燃一只船。他让60个水手排队站在码头上，拿着大镜子，把光线反射到150英尺开外的一只小船上，不到3分钟，船就着火了。

牛津大学物理学教授和光学专家保罗·尤尔特说，阿基米德利用当时可以掌握的技术，未必能够把镜子造那么平滑。但大英博物馆保管员给一个从古代卡尔胡阿西利亚城出土的坡璃碎片重贴标签时，认识到这个他们先前以为是小玩意的东西，可能是一个用来矫正近视的精制凸镜。它制造于大约公元前800年，比阿基米德诞生还要早大约600年!

难道希腊数学家阿基米德利用阳光反射烧毁犯境的罗马船队的这件事真的不仅仅是传说?

为此，美国麻省理工学院和亚利桑那州大学研究人员依样画葫芦，仿效这项“死光”试验，但最终却徒劳无功。

麻省理工学院研究人员使用铜和玻璃制作一排总面积300平方英尺的大镜子，进行两次试验。第一次，他们尝试烧毁45公尺外的渔船，最终却只能够让渔船的木头冒烟，没有火苗。他们接着移动渔船，让它跟这排镜子的距离，拉近至22．5公尺，结果这次木船燃起小火焰，但是很快就熄灭了。

至于亚利桑那州大学的研究人员，他们使用一套花瓣状的镜子，结果毫无作用，渔船不但没有起火，也没有冒烟。这项试验显示阿基米德的“死光”很可能只是传说。他们的结论是“作为战争武器，它是很不实际的”。

美国探索频道的一支队伍在去年尝试用阿基米德的“死光”点燃一艘古船，最后以失败告终。

麻省理工学院教授华莱士指出，实验显示“死光”在技术上可能行得通，但是无法证明阿基米德曾利用它烧毁敌船。他说：“谁能够说阿基米德究竟有没有办到?他是历史上伟大的数学家，我不愿意低估他的智慧或能力。”

不过，麻省理工大学工程系的学生却证明了“死光”的可行性。学生们成功点燃了一个罗马战船的橡木模型。一位学生用l27面镜子聚光反射到自己的手上，结论是“可恶!太热了!”事实上，那里的温度高达摄氏600度。

由此可见，神话依然存在。阿基米德的方法虽然并不实际，它必须依靠天气和其他物理因素，而且更需要攻击目标的配合，但是我们也不能完全否认阿基米德“死光”存在的可能性。因为我们今天仅凭有限的文献已经很难搞清楚当时的具体情况，也许由于某种巧合或者偶然的原因，希腊人利用“死光”烧毁了罗马人的战船。

3．牛顿晚年为何会精神失常

艾萨克·牛顿是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家，其研究领域包括了物理学、数学、天文学、神学、自然哲学和炼金术。牛顿的主要贡献有发明了微积分，发现了万有引力定律和经典力学，设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等，被誉为人类历史上最伟大，最有影响力的科学家。为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出成就，“牛顿”后来成为衡量力的大小的物理单位。

牛顿于1643年1月4日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村。1661年进入英国剑桥大学圣三一学院，在1665年他发现了二项式定理，1665年获文学士学位。随后两年在家乡躲避鼠疫，他在此间制定了一生大多数重要科学创造的蓝图。1667年牛顿回剑桥后当选为剑桥大学三一学院院委，次年获硕士学位。1669年任剑桥大学卢卡斯数学教授席位直到1701年。1696年任皇家造币厂监督，并移居伦敦。1703年担任英国皇家学会会长。1706年受英国女王安娜封爵。在晚年，牛顿潜心于自然哲学与神学。1727年3月31日，牛顿在伦敦病逝，享年84岁。可以说牛顿的一生是充满智慧和创造的一生，对人类世界有着莫大的贡献，而就是这样一位充满智慧的伟人，却在50岁时突然精神失常，两年后才有所好转。其中的原因当时及此后若干年的时间里，众多的科学家都试图找出一种合理的解释，但还没有最终达成共识。

有一种观点得到了大多数人的认同。他们认为这是由于牛顿极其紧张地工作、长期用脑过度而造成植物神经功能紊乱的缘故。牛顿之所以有这么高的科学成就，一方面是因为他有着极高的天赋，头脑非常灵活，另一方面就是他对真理有着强烈的渴望，他经常工作到了废寝忘食的程度。在1687年7月，他发表了《自然哲学的数学原理》，这是他一生最为重要的著作，而此时他只有45岁。该书以牛顿三大运动定律和万有引力为基础，建立了完美的力学理论体系。为做好这项工作，牛顿夜以继日地在实验室专心研究，他很少在夜间两三点钟前睡觉，。有时一直要工作到清晨五六点钟。《自然哲学的数学原理》问世后，他又立即转入了光学的研究。其实，他极度透支的工作致使他在三十岁左右时身体就有不良的征兆，他那时年纪轻轻就已经须发皆自了。