張軒中

1665年,一場瘟疫席卷了英國倫敦。為了躲避瘟疫,牛頓離開劍橋大學,回到闊別已久的家鄉(xiāng)進行自我隔離。有人說,正是在家鄉(xiāng)的那段時間,牛頓發(fā)現(xiàn)了著名的萬有引力定律。事實果然如此嗎?
其中最著名的故事莫過于“牛頓的蘋果”。法國文學家伏爾泰曾在文章中描述,牛頓在鄉(xiāng)下躲避瘟疫的那年,有一天,他坐在蘋果樹下,被樹上掉下來的一顆蘋果砸中腦袋。牛頓突然有了靈感,意識到蘋果下落與月球繞地球運動一樣,都受到萬有引力的控制。
這個故事流傳甚廣,以致很多人以為牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的時間是1665年至1666年。
然而,這不是事實。準確地說,牛頓在鄉(xiāng)下躲避瘟疫期間的主要學術(shù)成就是發(fā)明了微積分,這是他對科學的偉大貢獻之一。在時間上,牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律要比發(fā)明微積分晚得多。
瘟疫結(jié)束后,牛頓回到劍橋大學讀碩士,隨后在老師巴羅的支持下留校任教。
之后,牛頓開始與英國物理學家胡克通信。他們的很多信件被保存了下來,信件內(nèi)容顯示,牛頓當時也無法解釋行星的運動軌跡為什么是橢圓,甚至錯誤地認為地球上的拋物體軌跡是螺旋線??梢?,牛頓當時對引力現(xiàn)象不是很了解。
后來,英國物理學家兼天文學家哈雷拜訪了牛頓。哈雷告訴牛頓一個猜想(這個猜想基于哈雷與胡克等人的討論):開普勒第一定律中,行星運動軌跡是橢圓,這可能預示著萬有引力與物體距離的平方成反比。
牛頓聽了哈雷的介紹,開始用微積分去做相關(guān)的數(shù)學推導,最后發(fā)現(xiàn):哈雷與胡克等人的猜想是正確的。那么,為什么哈雷與胡克發(fā)現(xiàn)不了萬有引力定律,而牛頓可以呢?主要是因為牛頓的數(shù)學功底遠勝過他們。牛頓用的數(shù)學工具是他自己發(fā)明的微積分,這在當時是一項“獨門絕技”。
1687年,牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》出版,書中清晰地推導出了萬有引力定律。此書的出版得到哈雷的資助,因為當時出書很貴,而牛頓的生活比較貧困。所以,牛頓對哈雷非常感激,并在書中提到哈雷和胡克等人對自己的影響,也就是說,牛頓承認正是他們的啟迪才使自己發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。
那么,為什么后世大量文字記載的是牛頓在鄉(xiāng)下避瘟疫時,在蘋果樹下發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律呢?
這背后的故事與胡克有關(guān)。當時胡克是英國十分著名的物理學家,主張光的波動說,而牛頓堅持光的微粒說。他們的學術(shù)觀點存在分歧,胡克因此批評了牛頓。牛頓生性敏感多疑,這種學術(shù)批評令他反感。
隨著牛頓在學術(shù)界地位越來越高,他與胡克之間的矛盾也越來越深。牛頓第一次出版《自然哲學的數(shù)學原理》時,書里還出現(xiàn)了胡克的名字。而在胡克去世后,牛頓成為英國皇家學會的會長,當他再次出版《自然哲學的數(shù)學原理》時,就把胡克的名字從書里刪除了。牛頓不再提及胡克對他的啟迪,獨占了發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的功勞。更進一步,牛頓宣稱,自己在1666年就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,以完全摒棄胡克對他的影響。
這就是倫敦的瘟疫與牛頓的蘋果背后的故事。
(七 絲摘自《科學畫報》2020年第5期,黎 青圖)