牛顿

站在巨人的肩上

　　牛顿的研究领域非常广泛，他除了在数学、光学、力学等方面做出卓越贡献外，他还花费大量精力进行化学实验。他常常六个星期一直留在实验室里，不分昼夜的工作。他在化学上花费的时间并不少，却几乎没有取得什么显著的成就。为什么同样一个伟大的牛顿，在不同的领域取得的成就竟那么不一样呢？
　　其中一个原因就是各个学科处在不同的发展阶段。在力学和天文学方面，有伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的努力，牛顿有可能用已经准备好的材料，建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。正象他自己所说的那样“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩上”。而在化学方面，因为正确的道路还没有开辟出来，牛顿没法走到可以砍伐材料的地方。
　　牛顿在临终前对自己的生活道路是这样总结的：“我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自己看来，我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”
　　这当然是牛顿的谦逊。

怪异的牛顿

　　牛顿并不善于教学，他在讲授新近发现的微积分时，学生都接受不了。但在解决疑难问题方面的能力，他却远远超过了常人。还是学生时，牛顿就发现了一种计算无限量的方法。他用这个秘密的方法，算出了双曲面积到二百五十位数。他曾经高价买下了一个棱镜，并把它作为科学研究的工具，用它试验了白光分解为的有颜色的光。
　　开始，他并不愿意发表他的观察所得，他的发现都只是一种个人的消遣，为的是使自己在寂静的书斋中解闷，他独自遨游于自己所创造的超级世界里。后来，在好友哈雷的竭力劝说下，才勉强同意出版他的手稿，才有划时代巨著《自然哲学的数学原理》的问世。
　　作为大学教授，牛顿常常忙得不修边幅，往往领带不结，袜带不系好，马裤也不纽扣，就走进了大学餐厅。有一次，他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海了只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误的把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。牛顿也因此终生未娶。
　　牛顿从容不迫地观察日常生活中的小事，结果作出了科学史上一个个重要的发现。他马虎拖沓，曾经闹过许多的笑话。一次，他边读书，边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡蛋时，却发现锅里是一只怀表。还有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准备好时，牛顿突然想到一个问题，便独自进了内室，朋友等了他好久还是不见他出来，于是朋友就自己动手把那份鸡全吃了，鸡骨头留在盘子，不告而别了。等牛顿想起，出来后，发现了盘子里的骨头，以为自己已经吃过了，便转身又进了内室，继续研究他的问题。

牛顿的阴暗面

　　中国人说：“为尊者讳耻、为贤者讳过”，外国人也说：“历史是隐恶扬善的”，都是一个意思，即介绍大人物时，尽说好话，甚或锦上添花地增光加彩，而把他们见 不得人的事情隐去。在一部力学史上最显赫的人物莫过于牛顿了，后人赞扬他的丰功伟绩时，总不免凭空添加了许多不符合事实的光彩，而将他性格的阴暗面和做过 的许多丑事隐去。本文就是要根据人们近来考证的一些事实，来剥去罩在牛顿头顶上那些多余的光环，让我们认识一下这位力学家的另一面。
　　牛顿在光学、天体力学、望远镜等方面都有重要贡献，他不愧是一位科学上的巨人，但是他在与人相处中，特别集中反映在与胡克、弗拉姆斯蒂德、莱布尼兹三个人的交往中，却表现得实在是一位小人。 
　　1．苹果的神话 
　　几乎所有的介绍牛顿的书上，还有许多教科书上都介绍一个关于牛顿的传奇故事：1665－1666之间，剑桥流行黑热病，剑桥大学被迫停学，刚从剑桥拿到学士 学位的牛顿回到家乡。一天牛顿坐在苹果树下看书，这时一只苹果落了下来，这启发这位当时年仅23岁的学生想到苹果是被地球的引力拉下来的，从而他就发现了 万有引力定理。 
　　尽管这个故事流传得非常广泛，不过近来严肃的历史学者都不认为是事实。 
　　这个故事最早公诸于众的是由法国作家伏尔泰 （Voltaire，1694－1778），他是一位牛顿研究成果的热情鼓吹者。他1726年去英国，当年写了25篇通讯，其中第15篇通讯中有这个故 事，后来他说是听牛顿的侄女说的。其后在1752年一位比牛顿小45岁的朋友（William Stukeley）在回忆文章中说是牛顿去世前一年牛顿告诉他的，而牛顿是1727年去世的，他写文章时已经是牛顿去世后25年了。下面这张1磅英国钞票 的背面，印有牛顿的像，在牛顿头部的背后画着一株开花的苹果树，就是为了渲染这个故事、扩大它的影响。 
　　这个故事至少有两点与已经了解的历史事实不符。第一，万有引力不是牛顿一个人的独立发现，而是历史上若干人研究的积累的结果，有的书上把万有引力以牛顿命 名，说成是牛顿万有引力就是这个故事的自然结果，是对历史的严重歪曲。第二，在1665年，牛顿对天体的运动规律问题还是一个门外汉，它把牛顿对万有引力 的研究成果提前了至少20年。 
　　万有引力发现的实际经过大致是： 
　　开普勒（J.Kepler,1571－1630）最早在探索行星运动规律时，认为引力就是太阳发出的类似于磁力的流，这些磁力流沿切线方向推动着行星公转， 其强度随离太阳的距离而减弱。开普勒还曾企图用磁作用机制解释椭圆轨道的产生。他还以月球与海水间的磁性吸引解释潮汐现象。 
　　1645年，法国天文学家布里阿德（I.Bulliadus）提出一个假设：“开普勒力的减少，和离太阳的距离的平方成反比”。这是第一次提出平方反比关系的思想。 
　　1661 年，英国皇家学会成立了一个专门委员会研究重力问题。罗伯特 胡克（Robert Hooke,1635－1703）、克里斯托夫 雷恩（Christopher Wren,1632－1723）、爱德蒙 哈雷（Edmund Halley,1656－1742）在引力问题的研究上都做出了重要贡献。 
　　早在1661年，罗伯特 胡克就已觉察到引力和地球上物体的重力有同样的本质。在1674年的一次演讲“证明地球周年运动的尝试”中，他提出要在一致的力学原则的基础上建立一个宇 宙学说，为此提出了以下三个假设：“第一，据我们在地球上的观察可知，一切天体都具有倾向其中心的吸引力，它不仅吸引其本身各部分，并且还吸引其作用范围 内的其他天体。因此，不仅太阳和月亮对地球的形状和运动发生影响，而且地球对太阳和月亮同样也有影响，连水星、金星、火星和木星对地球的运动都有影响。第 二，凡是正在作简单直线运动的任何天体，在没有受到其他作用力使其沿着椭圆轨道、圆周或复杂的曲线运动之前，它将继续保持直线运动不变。第三，受到吸引力 作用的物体，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至于此力在什么程度上依赖于距离的问题，在实验中我还未解决。一旦知道了这一关系，天文学家就很容易解决天 体运动的规律了。”胡克首先使用了“万有引力”这个词。他在这里提出的这三条假设，实际上已包含了有关万有引力的一切问题，所缺乏的只是定量的表述和论 证。 
　　在1679年，胡克与牛顿之间进行了关于引力问题的交流，在1679年11月，牛顿致信胡克说：“自己关于发现周日运动的想象，即设想一个自由落体落到地球 上，通过地面进入地球内部，而不受任何物质的阻碍，则该落体将沿着一条螺旋形轨道运行，在旋转数圈后，最终旋入（或十分接近）地心。”胡克回信说，物体不 会按螺线运动，而是按“一种带椭圆状的曲线”运动，它的轨道将“像－椭圆”。1679年12月13日，牛顿写信给胡克说：“我同意你的意见，……如果假定 它的重力是均匀的，〔物体将〕不按螺线下沉那个真正的中心，而是以交替升降的形式运行。” 
　　我们从后人清理牛顿同胡克的这些通信中看出，直至1679年，牛顿在天体运动的问题上，还是不得要领的，而且在这以前，关于万有引力问题已经有了许多重要结 果。对于万有引力问题，剩下的唯一问题就是在与距离平方成反比的万有引力作用下天体按椭圆轨道运行的严格证明，胡克写信向牛顿提出了这个问题。后来人们弄 清楚了，一直到1685年，牛顿还没有解决这个问题。1686年牛顿解决了它，并且在哈雷的催促下写出了《自然哲学的数学原理》一书。当胡克看到这本书稿 后，向牛顿提出把自己在这一方面的研究成果提一下，这个本来是合理的要求却遭到了牛顿的断然拒绝。牛顿向负责出版这本书的哈雷写信说他不想给胡克任何荣 誉，而且称在许多年前他就已经揭示了平方反比定律。指的就是1665年开始的苹果树下的思索。 
　　老年时的牛顿有一段回忆说：“同年（1666年）我开始把引力与月亮轨道联系起来，并找出了如何估计一个天体在球体内旋转时用来趋向球面的力的方法，……， 最后在1676和1677年之间的冬天我发现了一个命题：利用与距离平方成反比的离心力，行星必然环绕力的中心沿椭圆旋转，……。” 把牛顿的这段话与前面引的他与胡克的通信比较，可以看出在时间上是矛盾的。牛顿在这里把他发现万有引力的时间故意改写在1679年与胡克通信之前，而且造 出苹果神话，其目的显然是为了要独吞万有引力这项成果。 
　　牛顿和胡克之间的梁子，不仅表现在对万有引力发明权的争议上，最早表现在胡克对牛顿的光的微粒说有不同的看法，因为胡克对光的本质是站在波动说一边的。 1675年，牛顿向皇家学会递交了他关于光的第二篇论文，这篇论文又受到胡克的批评，并且说论文的一些观点是抄袭他的。这使牛顿无比愤怒，虽经皇家学会调 解，牛顿的怒气未消，于1675年2月向胡克写了一封回击的信。信中说了与苹果故事流传得同样广的一句话：“如果我比笛卡尔看得更远，那是因为我站在巨人 们的肩膀上。”许多人把这句话理解为牛顿的谦虚精神，其实它是对胡克的一种讽刺和蔑视，完全不是人们望文生义的那回事。牛顿的原话是：“笛卡尔所做的是搭 了一架好梯子，你在很多方面都把梯子升高了许多，特别是把薄膜的颜色引入哲学思考。如果我看得更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。” 牛顿不把胡克和笛卡尔看作巨人，牛顿也没有攀登他们所搭的梯子，他是站在比梯子更高的巨人肩膀上。由于牛顿与胡克的这种过节，所以牛顿的《光学》著作要等 到1703年胡克去世以后才于1704年出版。 
　　牛顿独占了万有引力的成果，还不足以解除对胡克的恨，当他于1703年被选为英国皇家学会的主席，就下令在皇家学会除去所有的胡克的肖像。所以当时英国许多著名的科学家中就是胡克的肖像没有留传下来。

（续下页）

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