作者:张文静 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/29 14:56:06
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瘟疫之年的牛顿:“苹果神话”是真的吗

 

1665~1666年,英国伦敦暴发鼠疫,波及剑桥。剑桥学生牛顿因此回到老家伍尔索普庄园,“居家隔离”了一年半左右。传说正是在此期间,牛顿被自家院子里的一颗苹果砸中了脑袋,引发了他的思考,由此发现了万有引力定律。这就是著名的“苹果神话”。

然而,事实真是如此吗?4月16日,在“人文清华云讲坛”直播中,清华大学科学史系教授吴国盛讲述了故事的另一个版本。

“苹果神话”是牛顿本人说的

在剑桥大学三一学院门口的草坪上,种着一棵苹果树,那是从牛顿家的苹果树嫁接过来的;在1860年落成的牛津自然博物馆里,牛顿雕像脚下也有一个苹果。可见,“苹果神话”并不是街头小报的八卦,而是当时学界共同的看法。那么,这个故事最初是出自谁人之口呢?

“苹果神话”的来源,目前来看有四个:

第一个来源是老年牛顿在18世纪20年代自己说的。他在去世之前的七八年间写了一份东西,跟人说1665年、1666年这两年是他一辈子发明最旺盛的时期,其中有一项发明就是他思考了重力延伸到月球轨道这个问题。但这份手稿里并没有提到苹果。

来源之二,是牛顿《自然哲学的数学原理》第三版主编彭伯顿在1728年的一本书里写到的,他提到万有引力定律是来自1666年牛顿逃避大瘟疫时的思考。

来源之三,是启蒙运动伟大的思想家伏尔泰那本著名的《牛顿哲学原理》。他在1736年出版的这本书里提到,牛顿的外甥女告诉他说,牛顿在乡下看到苹果落地陷入沉思,引发了对万有引力定律的思考。

来源之四,是牛顿的同乡也是他的传记作者斯图克利。他在1752年曾经写了一本书回忆他跟牛顿的故事,提到1726年,即牛顿去世前的那一年,4月15日晚饭之后他俩出去散步,牛顿亲口对他说,当年就是在相同的情景下,苹果落地引发了他对重力的思考。

细究这四个来源,其实都来自于牛顿本人。也就是说,“苹果神话”是牛顿本人说的,当然也有些他的传记作者的添油加醋。

万有引力定律的发现一波三折

来自牛顿本人之口的“苹果神话”,家喻户晓,然而,事实果真如此吗?

实际上,万有引力定律绝对不是牛顿在瘟疫期间坐在苹果树下被一个苹果砸中脑袋之后就想出来的,它的发现经历了漫长的时间,而且过程一波三折。

要追溯万有引力定律的起源,还要从西方天文学的演变说起。

在古希腊,人们认为宇宙是一个球状的东西,所有的恒星和行星都镶嵌在一层层的天球上,每天围绕地球转动。后来,哥白尼和开普勒发展出日心天文学,使天球理论走向解体,以亚里士多德物理学为基础的托勒密地心天文学被打破。

新的天文学呼唤着新的物理学来作解释。此时站上舞台中心的,是17世纪的超级天才、新物理学的鼻祖法国人笛卡尔。他提出涡旋宇宙说,指出宇宙由物质和运动构成,运动自我维持、数量守恒。

这个原理对于牛顿的“苹果神话”非常重要,因为“苹果神话”包含一个意思,即苹果和月球之间没有本质的区别。但这个思想不是牛顿的首创,笛卡尔已经提出来了。

早期的牛顿深受笛卡尔影响,也相信涡旋理论,但他还在进一步思考重力问题。

从1665年的瘟疫之年至1669年,牛顿推导出了离心力公式和平方反比公式,但由于他所用的数据,包括地球的半径、月亮离地球的距离、月亮本身的运行周期等有误,导致他对地表重力的计算结果并不令人满意。于是牛顿似乎认为,笛卡尔式的涡旋还在起作用,引力问题就此被搁置了。

这段时间,牛顿将自己最主要的精力投入了炼金术实验,其次是圣经年代学研究。在此之余,他还做了光学实验和微积分的发明与完善。而在瘟疫期间思考过的重力问题,则被他搁置了十几年,一直没太关注。

不过,受炼金术思想影响,牛顿越来越相信作为超距作用的万有引力的存在。1682年,他把彗星纳入引力理论范围,这说明此时的他越来越相信大概用引力理论可以解释所有的天体现象。

1684年,哈雷拜访牛顿,询问行星轨道是何种曲线,这点燃了牛顿的热情。1684年8月~11月,牛顿严格证明了椭圆轨道需要平方反比引力。1686年~1687年,牛顿严格证明了球体引力公式,并发表了《自然哲学的数学原理》。在这本书中,他提出了牛顿三定律和万有引力定律,严格证明了不存在笛卡尔式的涡旋宇宙,并构造了新的天体体系。

到此为止,万有引力定律的发现才算大功告成,而不是瘟疫那两年。

此时的牛顿可以说是神一般的存在了。英国著名诗人蒲柏写道:“自然和自然律在黑暗中隐藏,上帝说,让牛顿去吧,于是一切豁然开朗!”

牛顿为什么要制造“苹果神话”

到今天为止,没有任何证据能够证明,牛顿在瘟疫之年发现了万有引力定律。那么,牛顿为什么要制造“苹果神话”呢?现在有很多研究表明,至少有三个原因。

第一,牛顿一辈子跟别人打官司,优先权之争贯穿他的一生。除了就光学问题、万有引力定律问题跟胡克争论外,他还就微积分的发明问题与莱布尼茨争论,就月球的数据问题跟当时的皇家天文学家争论。所以他到了晚年之后想以这种方式一劳永逸地结束各种争论。

第二,这和牛顿自己的个性有关。我们不能认为伟大的科学家在科学上伟大,人格就一定伟大。现在大家都认识到,牛顿的人格还是有一些缺陷的,他明显是一个自恋、自大,喜欢自我美化的人。晚年牛顿的自恋倾向更明显,最后十来年,他经常请人给自己画像,自我美化。制造“苹果神话”和他自我美化的倾向是统一的。

第三,牛顿大概希望通过“苹果神话”掩盖引力概念的炼金术起源。因为炼金术在当时属于半地下的工作,不能公开。

在1936年以前,牛顿的形象都是高大上的。直到1936年,经济学家凯恩斯从牛顿的后人手上买到了他的手稿,主要是他的炼金术手稿,研究后大吃一惊,他发现牛顿原来完全不是我们心目中那样的人。

凯恩斯后来在文章中写到,牛顿根本就不是理性时代的先师,而完全是最后的魔法师,他小心翼翼地掩盖他的炼金术活动和他反对三位一体的异端信仰。有意思的是,反对三位一体的牛顿,居然在剑桥三一学院待了35年,隐藏得非常深。

当然,无论牛顿有多么大的缺陷,我们都仍生活在牛顿为我们开辟的现代物理世界之中。诚如爱因斯坦所说:“在他(牛顿)以前和以后,都还没有人能像他那样决定着西方的思想、研究和实践的方向。”

(本文根据“人文清华云讲坛”直播内容整理)

 
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