图:佚名 摹戈弗雷·内勒 1689 年原作 / 剑桥牛顿数学科学研究所(公有领域)
艾萨克·牛顿
Isaac Newton1643–1727 · 生于英格兰林肯郡伍尔索普 · 英国
让天与地服从同一套定律的人
「如果说我看得更远一些,那是因为我站在巨人的肩膀上。」
—— 1676 年致罗伯特·胡克的信
在牛顿之前,「天上」与「人间」是两套规矩:行星被认为沿着神圣的圆周运行,石头下落则是另一回事。牛顿用三条运动定律和一条引力定律证明:从炮弹到彗星,万物服从同一套可以计算的法则。近代科学的大厦,正是奠基在他那本《原理》之上。
鼠疫年的奇迹岁月
1665 年夏,鼠疫蔓延到剑桥,大学停课,二十二岁的牛顿回到伍尔索普的家中农庄,一待将近两年。正是在这段与世隔绝的日子里,他创立了微积分的雏形(他称之为「流数术」),用棱镜把阳光拆成七彩,并开始盘算一个大胆的问题:让苹果坠落的力,是否一直延伸到月亮,把它拽在轨道上?他动手一算,月亮的「下落」与地面重物的下落大致符合平方反比的关系。苹果的故事出自他晚年向友人斯蒂克利的亲口回忆——树是真的,「砸中脑袋」则是后人的加工。科学史把 1666 年称为牛顿的「奇迹年」。
棱镜、望远镜与巨人的肩膀
回到剑桥后,牛顿在 1668 年磨制出第一台实用的反射望远镜:用凹面镜代替透镜,避开了折射望远镜恼人的彩色镶边。这台不过几十厘米长的小家伙轰动了皇家学会,1672 年他因此当选会士,并发表了关于光与颜色的新理论——白光不是纯净的,而是各色光的混合。论文却招来胡克等人的连番质疑,让生性敏感的牛顿一度发誓再不发表任何东西。1676 年,他在给胡克的信里写下那句流传至今的名言:「如果说我看得更远一些,那是因为我站在巨人的肩膀上。」
哈雷的催促与《原理》
1684 年 8 月,天文学家哈雷专程到剑桥求教:如果引力按距离平方反比减弱,行星轨道该是什么形状?牛顿脱口而出:椭圆,我算过。手稿一时找不到,他重新演算寄去,随后干脆闭关一年半,把二十年的零散洞见铸成一个完整体系。1687 年,《自然哲学的数学原理》出版——印刷费还是哈雷自掏腰包,因为皇家学会刚把出版预算花在一部《鱼类史》上。三条运动定律加上万有引力,一举推出开普勒三定律,解释了潮汐与彗星的轨道。天与地,第一次被同一支笔统一。
与莱布尼茨的阴影
晚年的牛顿卷入了与莱布尼茨关于微积分优先权的漫长争吵,两边阵营互相指控剽窃,闹得整个欧洲学界站队。今天的公论是:两人各自独立发明了微积分。这场消耗了太多才华与体面的争执,本可以避免。
最后一位巫师
牛顿身后留下约一千万字手稿,其中论物理与数学的部分不到十分之一。剩下的绝大多数是两样东西:炼金术,和神学。
他在三一学院的院子里搭过炉子,通宵熬炼,留下上百万字的炼金笔记,满纸是「绿狮子」「哲人水银」这类隐语。神学上他走得更远——他私下否认三位一体,认为那是四世纪教会窜改的教义。这在当时的英格兰是重罪:三一学院的研究员依例必须领受圣职并宣誓,牛顿为此几乎丢掉职位,最后靠国王特许才得以免誓留任。这些文字他瞒了一辈子。
1936 年这批手稿在苏富比拍卖,经济学家凯恩斯买下了其中一大批。读完之后他写道:牛顿不是理性时代的第一人,而是最后一位巫师。
这句话常被当作贬低,其实不是。牛顿并不认为自己在做三件不同的事。在他眼里,破解行星的轨道、破解金属的嬗变、破解《但以理书》里的预言,是同一项工程——把上帝写在自然与经文里的密码读出来。只不过其中一项成功了,而且成功得改变了世界。
造币厂里的晚年
1696 年,牛顿离开剑桥出任皇家造币厂监督,主持全国货币重铸,甚至乔装到酒馆取证,把伦敦最狡猾的伪币犯送上法庭。1703 年起,他连任皇家学会会长二十余年;1705 年受安妮女王册封为爵士。1727 年牛顿去世,英国以近乎国王的规格把他安葬在威斯敏斯特教堂。目睹葬礼盛况的伏尔泰感慨:英格兰纪念一位科学家,竟像纪念一位造福万民的君主。
代表方程
万有引力定律
宇宙中任意两个物体都在互相吸引:质量越大、离得越近,引力越强——苹果落地与月亮绕地,遵循的是同一条定律。
牛顿第二定律
力不是维持运动的原因,而是改变运动的原因:受力越大,运动状态改变得越快;物体越重,改变它就越费劲。
伟大发现
万有引力与运动定律
让苹果坠落的力与让行星绕行的力是同一种——天与地第一次服从同一套定律,宇宙成为可以计算的对象。
光的色散与反射望远镜
白光不是纯净的,而是七彩光的混合——一块棱镜揭开了颜色的本性,一面反射镜改写了人类观天的方式。
彩虹的解释
阳光在雨滴里折射、反射、再折射,偏转角在某个方向上走到尽头,光线挤成一圈亮弧——笛卡尔用二十几根光线算出了 42° 与 51°,牛顿用色散排出了颜色,而虹下那几道淡淡的附加彩带,要等波动光学才讲得清。
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.牛顿《自然哲学的数学原理》(伦敦,1687)
- 2.牛顿《光学》(伦敦,1704)
- 3.牛顿《关于光与颜色的新理论》,《皇家学会哲学汇刊》第 6 卷(1672)——棱镜实验的首次发表
- 4.斯蒂克利《艾萨克·牛顿爵士生平回忆》手稿(1752)——苹果故事的原始出处
- 5.牛顿计划(牛津大学)——牛顿神学与炼金术手稿的数字版全文
- 6.凯恩斯《牛顿其人》,皇家学会牛顿诞辰三百年纪念文集(1947)