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气死人不偿命的全才:牛顿

2018-01-05  hyxz_ljf

曾经,我一个人躺在纳木错湖边,仰望浩瀚的星空。日月星辰,斗转星移,天空中的一切都是那么宏伟。置身其中,忽然感到在无尽深空中,漂浮着的我的渺小。

多少名士先贤,为我们解释了这伟大的世界,将每一个现象都放进了人类智慧的框架,让自然成为人类的臂膀,散发出无穷的力量,让如今的我们得以在星海中远航。

如果古人仍在,能欣赏到这震撼的美景,会发出怎样的感叹?

伽利略:MMP

好好,我们先不讨论伽利略……

今天的主角是牛顿。

公历375年前的今天,这个狂妄的全才降临了这个世界。他从小熟读四书五经,学会了数门外语,超额完成了他妈定的“识字”的教育目标。

在之后的求学、科研之路上更是一发不可收拾。他的成名作《自然哲学的数学原理》更是用令人发指的复杂几何证明方法解释了世间万象。复杂到什么程度?复杂到中国绝大部分本科生都看不下去。

比如里面有一个证明的插图是这样的

这都不算什么,还有用上了双曲线的

你以为这就完了?乃义武!

我擦这都是啥?!这是在证明还是在炫技?!

可见,牛顿的数学功底深不可测足而立马万言听计从容不迫在眉睫,怪不得牛顿还和莱布尼兹还分别发明了微积分。

至于牛顿三定律和万有引力定律,还是比较有争议。有人指责他剽窃自己的成果,他说:“没错,我就是站在了巨人的肩膀上才能看得这么远”,有人指责他太傲慢自大,他说:“我不就是在海边捡了几个小贝壳,看把你们眼红的,内边儿还有那么大的大海呢。”简直加满了嘲讽的属性点。

牛顿的狂妄是有资本的。即使他满世界树敌,照样混得家喻户晓,无人能敌,成为了人类文明的发动机。

作为名副其实的全才,除了在数学和力学上的成就,他还对光学做出了突出贡献。例如我们熟知的白光由七色光混合而成,就是牛顿用三棱镜分光发现的。

分光棱镜对白光的分光

为什么会分光?因为介质对不同色光的折射率不同。折射就是光射到两种物分界面时,啪唧给折了一下,传播的角度不同了。就像我们看一半儿在水中的筷子,会感觉筷子被折弯了一样。

折射现象

但是每种介质,对不同颜色的光的折射程度是不一样的。同样是白光射进来,白光里的红色成分偏折小一点,紫色成分偏折大一点,于是各个颜色就相互分开了。这也是雨后彩虹的原理。

这种分光特性叫做色散,色散是所有物质都有的特性,没有例外。

光在色散之后可能看起来很漂亮,但很多时候色散是我们要极力避免的现象。最常见的就是摄影。当光射入镜头时出现色散,我们就会看到红、绿、蓝三色没有正确重合,白色物体会出现彩色边缘,影响视觉效果。

望远镜也是同理。常用的伽利略望远镜结构如下,内部有两个透镜,每个透镜都会加重色散。

伽利略望远镜结构示意图

现在,我们可以通过复合棱镜等方法,尽量消除色散。但这是透射棱镜系统的痼疾无法避免。

牛顿就比较聪明了,他发明了世界上第一台反射望远镜。

牛顿望远镜结构示意图

他设计的这个望远镜,用的是两个反射镜,将入射光线放大后反射送入人眼。

反射和透射不同,不涉及介质转换,对所有颜色的光都一样——以什么角度射入就以什么角度射出,所以以牛顿望远镜为代表的反射式望远镜,相比与伽利略的透射式望远镜的一大优点就是没有色散。

另外,透射镜加工非常复杂,对精度和材料的要求非常高,很难加工,成本也相应高得离谱,像我们配个眼镜就要吃个土。

而相比反射镜的加工就非常简单了,给镜子加个弧度就好了。所以牛顿望远镜非常便宜,至今仍是很多家庭的观测首选。

鉴于反射式望远镜的诸多优点,哈勃望远镜和下一代空间望远镜“韦伯望远镜”(JWST)就都使用了反射式望远镜。

JWST主镜制造

JWST结构示意图

由于反射镜片易于切割,JWST选择了将主镜分成了18块六边形镜片。这些镜片连起来直径可达6.5米。

主镜接收到来自宇宙深处的光线,将其反射到前面三条腿支着伸出来的小黑盘上,这个黑盘内侧也是反射镜,将光线再反射到主镜中间的洞里,洞里有接收器负责接收数据。于是为我们传回来了震撼的照片,和重要的科研数据。

而这一切,都源于当年那个简易的牛顿望远镜。

牛顿望远镜实物

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