北青网首页 | 新闻 | 娱乐 | 体育 | 时尚 | 财经 | 青年 | 军事 | 社会 | 旅游 |
| 收藏本站 | 设为首页
A12:人间事
上一版
A12:人间事
 
上一版
前一天  后一天
电子版首页 > 第A12版:人间事
下一篇

清华大学科学史系主任吴国盛带你重新认识牛顿

伦敦瘟疫之年是牛顿的奇迹之年吗?

2020年05月21日 星期四 北京青年报

    牛顿是科学界神一样的存在,他在数学上发明了微积分、二项式定理;在力学上提出了牛顿三定律;在天文学上建立了万有引力定律;在光学上发现了白光是复合光,并且发明了反射式望远镜……这些成就,一个人一生只要做出其中一项就足以名垂千古,而牛顿做出了所有这些成就。

    爱因斯坦评价说在牛顿以前和以后,“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”。而普通人对于牛顿的了解,大都来源于那个“苹果落地”的科学轶事。

    1665年-1666年,伦敦暴发大瘟疫,牛顿离开剑桥回到故乡。在老年牛顿的自述、《自然哲学的数学原理》第三版主编彭伯顿的叙述、伏尔泰的叙述,以及牛顿传记作者斯图克利1752年的回忆中,都说牛顿在1666年发现了万有引力定律。这些导致“苹果神话”流传了几百年,世人都认为24岁的牛顿从苹果下落悟出了万有引力。

    事实果真如此吗?  “人文清华云讲坛”第五场日前开讲,著名科学史家、清华大学科学史系主任吴国盛教授登坛讲授《瘟疫之年:重新认识牛顿》。他指出,“苹果神话”确实存在,但是,事实上,牛顿真正发现万有引力定律,是在1685年-1686年之间。

    牛顿为何制造“苹果神话”

    伦敦大瘟疫是一场1665年至1666年间发生在英国的大规模鼠疫暴发,超过8万人死于这次瘟疫之中,相当于当时伦敦人口的五分之一。

    伦敦大瘟疫波及剑桥,剑桥学生牛顿也受了影响。1665年8月学校关闭,在关校之前一个月,牛顿回到他的老家伍尔索普庄园,这是牛顿出生的地方。

    瘟疫期间,牛顿在家里待了大概一年半的时间。据说牛顿在家躲避瘟疫时,坐在他们家一棵苹果树下沉思,由于苹果砸中了他的脑袋,引发了他的思考,导致他发现了万有引力定律,这被称之为著名的“苹果神话”。

    吴国盛教授讲述说,“苹果神话”主要有四个来源:

    第一个来源,是老年牛顿自己说的。他在去世之前的七八年间写了一份东西,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思考了重力延伸到月球轨道这个问题,但我们看这份手稿里并没有提到苹果。

    第二个来源,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,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日晚饭之后他们俩出去散步,牛顿亲口跟他说,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。”

    吴教授总结说:“这四个来源,其实都是来自于牛顿本人,也就是说,‘苹果神话’是牛顿本人说的,当然他的传记作者有些添油加醋。‘苹果神话’很长时间以来都被人们认可,‘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。”

    牛顿说自己站在“巨人”的肩膀上

    最主要的巨人是笛卡尔

    虽然“苹果神话”存在,但是,万有引力定律绝对不是牛顿坐在苹果树下被苹果砸中脑袋之后,即兴想出来的。吴教授表示,伟大的思想从来都有历史背景,而万有引力定律的形成,笛卡尔功不可没:“可以说牛顿就是笛卡尔直接的继承者。牛顿有一句名言‘如果我看得比别人更远一点,那是因为我站在巨人的肩膀上’,这个‘巨人’指的就是笛卡尔。没有笛卡尔的铺垫,牛顿到达不了后来的高度。”

    对大多数人来说,笛卡尔是著名的哲学家,吴教授则告诉大家,笛卡尔更是新物理学的第一人:“17世纪是一个天才的世纪,群星闪烁,笛卡尔是17世纪前半叶最闪亮的明星。他创立了一套新物理学来全方位取代亚里士多德的旧物理学,他是新物理学的第一人。”

    亚里士多德认为,天和地完全不一样,物质组成不一样,天上是纯粹的、透明的、完美的,是不变化的,地上是土、水、气、火四元素。运动方式也不一样,天界的运动方式是匀速圆周运动,地上的运动方式是直线运动。笛卡尔则认为,宇宙仅仅由物质和运动构成,不分天上地下,“这个思想称之为统一原理,直接对应哥白尼革命带来的天和地界限打破这件事情。笛卡尔创立了新物理学的第一原理,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。”

    笛卡尔提出的第二个原理是惯性原理。亚里士多德认为,运动要么是自然运动、要么是受迫运动。自然运动是出于本性的运动,重物下落轻物上升,天经地义;而受迫运动一定需要外力维系,外力一旦撤掉受迫运动就中止。笛卡尔认为,运动不需要外力维持,运动自我维持,而且数量守恒,“这被称为惯性原理,今天我们称之为牛顿第一定律,但牛顿第一定律的首创者不是牛顿,而是笛卡尔。”

    笛卡尔提出的第三点,宇宙模型是最关键的区别。亚里士多德的宇宙是天球宇宙,大球套小球、天球套地球这个模式。笛卡尔用涡旋宇宙模型替代天球宇宙模型,用宇宙涡旋解释当时所碰到的所有物理问题。笛卡尔认为,所有的行星绕太阳转动,是因为太阳周边有一个大的涡旋。太阳之外还有很多涡旋,他认为世界是多宇宙的,不只有一个太阳系。所有的涡旋都是由大量的涡旋微粒所构成,涡旋运动既解释了太阳系里行星的运动,也解释了月亮绕地球的转动、抛物体的运动、苹果落地的自由落体运动、彗星运动等等。

    吴教授有些遗憾地说:“除了我们做科学史的人之外,今天很少有人听说过历史上还有一个伟大的涡旋宇宙体系,那是因为牛顿彻底清除了涡旋宇宙,用万有引力宇宙取而代之。这相当于新物理学的版本转换。如果说笛卡尔的物理学是新物理学1.0版,牛顿的新物理学就是2.0版,正是这个版本转换,导致笛卡尔在科学史上的地位远远不如牛顿。今天在哲学系,笛卡尔的书仍是必读书,但物理教科书里基本上没有笛卡尔的名字。”

    牛顿曾经对炼金术投入很多精力

    吴教授透露,牛顿一辈子兴趣比较广,他在剑桥待的那些年,其实用心比较多的并不是万有引力,甚至也不是微积分的发明,1667年-1684年,牛顿最主要的精力投入在炼金术实验。排在他兴趣第二位的是圣经年代学研究,此外光学实验是他在学生时代比较喜欢的一个实验类型,“他造了一个反射式望远镜,后来被命名为牛顿式望远镜,可以解决色差问题,是望远镜里非常重要的一类,牛顿凭着这个发明入选了皇家学会。瘟疫期间他虽然思考过重力问题,但后来搁置了十几年,一直没太关注。”

    现在有证据表明,在1665年—1669年,牛顿做了很多计算。其中有两个非常重要的计算:第一个,他算出了一个圆周运动的物体会有离心力,离心力与距离成反比,与它的速度的平方成正比,F=mv2/r,现在叫作惠更斯公式,牛顿大概在1665年—1669年期间就推导出来了。他推导完之后根据地表苹果的重力加速度,再根据月球的运动周期,算出来地表重力应该是月球离心力的4325倍,这个计算结果是有问题的,因为牛顿当时的数据不是很准。

    牛顿的第二个计算,是根据开普勒第三定律以及他自己新得到的离心力公式,推导出平方反比公式,离心力应该与距离的平方成反比。根据这个公式,他计算出地表的重力应该是月球离心力的3600倍。两个计算的结果不一致,并不令人满意。于是牛顿认为,笛卡尔式的涡旋还在起作用,引力问题就被搁置了。

    牛顿重新把万有引力捡起来是1679年,吴教授说,“牛顿之所以敢于把万有引力提出来,而且把它作为一个主要的决定性因素来思考,与其炼金术活动是有关系的。”

    英国著名的物理学家胡克和牛顿在光学问题、发现万有引力的优先权上一直争吵不休,1679年胡克给牛顿写信说,咱们能不能不打了,恢复通信。胡克的来信,让牛顿进一步思考,“这段时间内炼金术活动对他的思想有很大影响,他越来越相信存在具有超距作用的万有引力。万有引力和宇宙涡旋最大的区别是什么?宇宙涡旋是微粒的碰撞,苹果落地、月亮绕地球转动,在笛卡尔看来都是大量微粒碰撞的结果;而牛顿的万有引力是个超距作用,两个物体之间即使隔着遥远的距离,不接触也能发生作用。”

    牛顿真正发现万有引力定律是在1684—1686年

    牛顿对万有引力产生兴趣的转机发生在1684年。那年,发现哈雷彗星的哈雷专程去拜访牛顿,询问假定太阳对行星的引力是与距离平方反比的话,行星轨道应该是何种曲线?牛顿回答说当然是椭圆,自己早就算过了。哈雷说能否让他看一看,牛顿假装找了找说找不到,承诺哈雷找到后寄给他,然后牛顿花了三个月时间写了一份证明过程寄给哈雷。吴教授说:“这个证明就是任何做椭圆轨道运动的物体,必然受一个朝向焦点的平方反比力。反之,任何在平方反比力作用下的物体,必然做一个椭圆或者圆锥曲线运动,这是万有引力定律的第一个关键证明,这个证明严格说是1684年年底才做出来的。”

    哈雷收到这封信之后非常激动,立即鼓励牛顿多写一点。“哈雷点燃了牛顿未来一年半的热情,牛顿其他事都不干了,连最喜欢的炼金术也不玩了,专心致志写那部伟大的《自然哲学的数学原理》。在这部伟大的著作里,牛顿以一种前无古人后无来者的超级天才的洞察力,对此前种种思想要素做了一个综合,构造了一套非常伟大的公理体系,这个体系就是牛顿力学体系。”

    吴教授讲述说,在这部著作里,牛顿用他发明的微积分证明了地球吸引苹果的方式。“地表上的苹果离地球的地表很近,过去不知道怎么算那个距离。如果离得很远的话,大概可以以物体和地心的距离作为距离来计算,可是苹果在地球表面,那么地球吸引苹果应该以什么距离吸引呢?这其实是一个微积分的问题。牛顿严格证明了地球吸引苹果就如同所有的质量都集中在球心一样,这只有牛顿能证明出来,没有微积分知识就没法证明,而这点证明不了,万有引力定律就没法用,没有办法知道地球怎么吸引物体。万有引力两个重要的原理都在1684年—1686年完成,所以,真正发现万有引力定律是在这两年,而不是在伦敦瘟疫那两年。”

    天不生牛顿  万古如长夜

    1665年—1669年,牛顿初步推导出了平方反比力公式,1684年年底严格证明了平方反比力公式。1686年—1687年严格证明了球体引力公式,1687年出版的这本《原理》里面万有引力定律才大功告成。

    《自然哲学的数学原理》成就了牛顿在科学界“大牛”的地位,吴教授说:“ 《自然哲学的数学原理》出版以后,新的天文学终于有了坚实的物理基础,对古代科学的整体替代完成,因此牛顿是科学革命的完成者。今天我们所做的科学大范围内还是牛顿科学,所有的其他学科都向着牛顿物理学看齐,牛顿物理学成了近代科学的一个典范。牛顿不仅做出许多了不起的科学成就,而且建立了科学的标准,这是他最牛的地方。牛顿可以说是神一般的存在了。英国著名诗人浦珀应邀为牛顿写了一个墓志铭,很可惜这个墓志铭并没有真的刻在西敏寺的牛顿墓碑上,这个墓志铭写道:‘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!’有些中国人喜欢译成更简洁的句子,即‘天不生牛顿,万古如长夜’。”

    17世纪是天才辈出的世纪,为什么唯有牛顿能作出这样的成就?吴教授分析原因有三,首先,这是一个伟大的时代,从哥白尼、开普勒、伽利略、波义耳到笛卡尔,都是牛顿的先驱。

    第二,牛顿有独特的天分,拥有超凡的数学能力和实验能力。他的天分正好揭示了近代科学的两个秘密,就是数学加实验。“牛顿是人类历史上的超级数学天才之一,进入前五名没问题。而且牛顿不仅是数学厉害,实验能力也极强。他早年初出茅庐时被认可,就是因为做光学实验。今天虽然发现牛顿的光学理论有很多错误,但是他的关键实验仍然正确,他对白光复合光的发现今天仍然正确,其实验方法是最绝妙的。”

    第三个原因,则是牛顿从事研究的动机是什么。“我们通常喜欢把科学看成是一个促进生产力发展的技术,用于造就财富,但牛顿的科学没有这些功能。谈到牛顿就不能不谈他的信仰,牛顿相信唯意志论的上帝,牛顿认为,上帝的全知全善全能不在于他是不是理性,而在于他能不能自由挥洒他的意志,在于他能不能说了算。在一个说了算的上帝那里,他可以随时改变这个世界。笛卡尔的上帝是唯理论的上帝,他的体系是通过概念进行理性推理,比如笛卡尔哲学就是从‘我思故我在’这样一个第一命题、完全不能怀疑的命题往下推,他构造了一套推理体系系统。可是牛顿的上帝不允许单凭理性认识这个世界,因为任何理性的构造都可以被上帝随时打破,面对这样一个唯意志论的上帝,人们认识世界的唯一方法是经验,就是得小心翼翼地获取经验,通过对经验进行归纳总结,来揣摩这个世界的规律。牛顿的信仰里面特别强调经验的扎实性。因此万有引力的发现过程中,牛顿实际是总结了大量物体运动的现象后对它们进行数学归纳。所以,牛顿能够提出和笛卡尔不一样的一套宇宙体系。”

    吴教授表示,牛顿本人其实不是一个牛顿主义者,“在牛顿看来,宇宙一半是机械的,一半是微妙的。机械的部分是可以用《原理》解释,微妙的部分用炼金术来解释。但是无论是机械的还是微妙的,归根到底是由上帝解释。我希望这样一个知识架构可以帮助大家理解牛顿,理解牛顿为什么一辈子主要的时间像魔法师一样在玩炼金术、研究圣经年代学。”

    文/本报记者 张嘉 供图/人文清华