牛顿：中学生必知的天文学家，成就与才能

古希腊的灿烂文化在漫长的黑暗中世纪中埋没风尘,黯然失色。15世纪,文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上,自然科学获得新的生命,蓬勃成长。科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。一场科学革命冲破了中世纪封建势力和经院哲学的层层罗网,不断取得胜利。

牛顿——伟大的科学家,经典物理学理论体系的建立者——正是在欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代诞生的。

生平简介

1643年1月4日(儒略历1642年12月25日)牛顿诞生于英格兰林肯郡的小镇乌尔斯普的一个自耕农家庭。牛顿出生之前,父亲已去世。牛顿生而孱弱,过了3年,他的母亲再嫁给一位牧师,把孩子留在他祖母身边抚养。8年之后,牧师病故,牛顿的母亲带着后夫所生的一子二女又回到乌尔斯索普。牛顿自幼沉默寡言,性格倔强,这种习性可能来自他的家庭处境。牛顿少年时代喜欢摆弄机械小技巧。传说他做过一架磨坊的模型,动力是小老鼠；有一次他放风筝时,在绳子上悬挂着小灯,夜间村人看去惊疑是彗星出现。他喜欢绘画、雕刻,尤喜欢刻日晷,家里墙角、窗台上到处安放着他刻划的日晷,用以验看日影的移动,以知时刻。12岁进离家不远的格兰瑟中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民,能赡养家庭,但牛顿本人却无意于此而酷爱读书,以致经常忘了干活。随着年岁增大,牛顿越发爱好读书,喜欢沉思,做科学小试验。他在格兰瑟姆中学读书时,曾寄寓在一位药剂师家里,使他受到化学实验的熏陶。牛顿在中学时代学习成绩并不出众,只是爱好读书,对自然现象有好奇心,例如颜色、日影四季的移动,尤好几何学、哥白尼的日心说等等。他还分门别类地记读书心得笔记,又喜欢别出心裁地做些小工具、小技巧、小发明、小试验。当时英国社会渗入基督教新教思想,牛顿家里有两位都以神父为职业的亲戚,这可能影响牛顿晚年的宗教生活。从这些平凡的环境和活动中,看不出幼年的牛顿是一个才能出众异于常人的儿童。然而格兰瑟姆中学的校长J.斯托克斯,还有牛顿的一位当神父的叔父W.艾斯库别具慧眼,鼓励牛顿上大学读书。牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位。17世纪中叶,剑桥大学的教育制度还浸透着浓厚的中世纪经院哲学的气味。当牛顿进入剑桥大学时,那里还在传授一些经院式课程,如逻辑、古文、语法、古代史、神学等等。两年之后三一学院出现了新气象。H.卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座,规定讲授自然科学知识如地理、物理、天文和数学课程。讲座的第一任教授I.巴罗是一位博学的科学家。就是这位教师把牛顿引向自然科学。在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,学习了欧几里得的《几何原理》。他又读了开普勒的《光学》,笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的》,R.胡克的《显微图集》,还有皇家学会的历史和早期的《哲学学报》等。牛顿在巴罗的门下学习,是他学习的关键时期。巴罗比牛顿大12岁,精于数学和光学,他对牛顿的才华极为赞赏,他认为牛顿的数学才能超过自己。1665～1666年伦敦大疫。剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校停课。牛顿于1665年6月回到故乡乌尔斯索普。

由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养,对探索自然现象产生极为浓厚的兴趣。就在1665～1666年这两年之内,他在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进前人没有涉及的领域,创建前所未有的惊人业绩。1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则。同年11月,创立正流数法(微分)；次年1月,研究颜色理论；5月,开始研究反流数法(积分)。这一年内,牛顿还开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运行轨道上去。他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说,说的也是在此时发生的轶事。总之,在家乡居住的这两年中,牛顿以比此后任何时候更为旺盛的精力从事科学创造,并关心自然哲学问题。由此可见,牛顿一生的重大科学思想是在他青春年华、思想敏锐短短两年期间孕育、萌发和形成的。

1667年牛顿重返剑桥大学,10月1日被选为三一学院的仲院侣,次年3月16日选为正院侣。当时巴罗对牛顿的才能有充分认识。1669年10月27日巴罗便让年仅26岁的牛顿接替他担任卢卡斯讲座的教授。牛顿把他的光学讲稿(1670～1672)、算术和代数讲稿(1673～1683)《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)的第一部分(1684～1685),还有《宇宙体系》(1687)等手稿送到剑桥大学图书馆收藏。1672年起他被接纳为皇家学会会员,1703年被选为皇家学会主席直到逝世。其间牛顿和国内外科学家通信最多的有R.玻意耳、J.柯林斯、J.夫拉姆斯蒂德、D.格雷果理、E.哈雷、胡克、C.惠更斯、G.W.F.von莱布尼兹和J.沃利斯等。牛顿在写作《原理》之后,厌倦大学教授生活,他得到在大学学生时代结识的一位贵族后裔C.蒙塔古的帮助,于1696年谋得造币厂监督职位,1699年升任厂长,1701年辞去剑桥大学工作。当时英国币制混乱,牛顿运用他的冶金知识,制造新币。因改革币制有功,1705年受封为爵士。晚年研究宗教,著有《圣经里两大错讹的历史考证》等文。牛顿于1727年3月31日(儒略历20日)在伦敦郊区肯辛顿寓中逝世,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂。

主要贡献

《光学》和反射式望远镜的发明

光学和力学一样,在古希腊时代就受到注意。用于天文观测的需要,光学仪器的制作很早就得到了发展,光的反射定律早在欧几里得时代已经闻名,但折射定律直到牛顿出生之前不久才为荷兰科学家W.斯涅耳所发现。玻璃的制作早已从阿拉伯辗转传入西欧。16世纪荷兰磨制透镜的手工业大兴。把透镜适当组合成一个系统就可成为显微镜或望远镜。这两种仪器的发明对科学发展起了重大作用。在牛顿之前,伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。伽利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会聚透镜组成的开普勒望远镜。两种望远镜都无法消除物镜的色散。牛顿发明以金属磨成的反射镜代替会聚透镜作为物镜,这样就避免了物镜的色散。当时牛顿制成的望远镜长6英寸,直径1英寸,放大率为30～40倍。经过改进,1671年他制作了第二架更大的反射式望远镜,并送到皇家学会评审。这台望远镜被皇家学会作为珍贵科学文物收藏起来。为了制造反射式望远镜,牛顿亲自冶炼合金和研磨镜面。牛顿自幼爱好动手制模型,做试验,这对他在光学实验上的成功有极大帮助。光的颜色问题早在公元前就有人在作猜测,把虹的光色和玻璃片的边缘形成的颜色联系起来。从亚里士多德以来到笛卡儿都认为白光是纯洁的、均匀的,是光的本质,而色光只是光的变种。他们都没像牛顿那样认真做过实验。

大约在1663年,牛顿即开始热衷于光学研究,磨玻璃、制作望远镜也在这个时期。1666年,他购得一块玻璃三棱镜,开始研究色散现象。为了这个目的,牛顿在他的《光学》一书中写道：“把我的房间弄暗,在我的窗板上开一个小孔,以便适量的太阳光射入室内,就在入口处安置我的棱镜,光通过棱镜折射达到对面的墙上。”牛顿看到墙上有彩色的光带,光带之长数倍于原来的白光点,他意识到这些彩色就是组成白色太阳光的原始光色。为了证明这一点,牛顿进一步做实验。在光带投射的屏上也打一个小孔,让光带中彩色的一部分穿过第二个小孔,经过放在屏后的第二个棱镜折射投到第二个屏上,又让第一棱镜绕它的轴缓慢转动,只见穿出第二个小孔落在第二屏上的像随着第一棱镜转动而上下移动。于是看到,为第一棱镜折射最大的蓝光,经过第二棱镜也是折射得最大；反之,红光被前后两个棱镜折射得最小。于是牛顿作出结论：“经过第一棱镜折射后所得长方形的彩色光带不是别的,正是由不同的彩色光所组成的白色光经折射而形成的。”也就是说：“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非均匀的混合体。”这就是牛顿的光色理论。它是通过实验建立起来的,牛顿自称这个实验为“关键性实验”。这个实验可说是一个半世纪后J.von夫琅和费建立光谱术的基础。事实上牛顿在他的《光学》第1卷命题4问题1中用过1～2英寸长、宽仅1/10或1/20英寸的长方形的孔代替小圆孔,他说所得结果较前更清晰,但没有夫琅和费线的记载。牛顿在这方面做了大量的实验之后,于1672年把他的结论用书信形式送交皇家学会评审。不料竟引起一场尖锐的论战。当时惠更斯反对他,胡克攻击他尤甚。早在1665年胡克就在英国提出光的波动理论,这只是一个假说。惠更斯则把它完整起来,认为空间的以太是无所不在的,他把以太作为振动的媒质,把媒质的每一个质点都看成一个中心,在中心的周围形成一个波,惠更斯成功地用这个物理图像来解释光的反、折射、还以此来研究冰洲石的双折射(但是光的波动学说的确立还有待于一个半世纪之后由英国的T.杨的干涉实验来证明)。牛顿则持光的微粒说,他认为波动说的最大障碍是不能解释光的直线进行。他提出发光物体发射出以直线运动的微粒子、微粒子流冲击视网膜就引起视觉。它也能解释光的折射与反射,甚至经过修改也能解释F.M.格里马尔迪发现的“衍射”现象。但对薄膜形成的彩色,牛顿则承认微粒说不如波动说解释得明快。微粒说与波动说之争在当时是十分激烈的,双方争论持续多年。当年光的微粒说与波动说之争,现在可以引用E.T.惠特克的话来结束这桩公案：“当A.爱因斯坦以M.普朗克的量子原理来解释光电效应,光的微粒思想经过一个世纪的沉寂而在1905年又获得了新生,并因此而导致光量子存在的基本原理。他的思想为实验所充分肯定,特别是光子与电子碰撞所产生的康普顿效应服从经典的碰撞力学定律。而同时,关于光的波动性的实验并没有失效,于是我们不得不承认波动说和微粒假说都是正确的。”无疑,牛顿的《光学》(Opticks)是和他的《原理》同为物理学的巨著,也是科学界的经典著作。《光学》第一版印于1704年,在胡克逝世之后问世。《光学》最后部分以独特的形式附上一份著名的“问题”表,共提出31个“问题”(第一版提出16个“问题”)。在“问题”中所谈到的不仅是光的折射、反射等,还涉及光与真空,甚至重力、天体等问题。在多处谈到光的波动,涉及太阳光与物质的相互作用等问题,这些问题涉及物理学的诸多方面,富有启发性,后人评价这些“问题”是《光学》中最重要的部分,并非虚语。牛顿在《光学》一书中凭借实验的结果与分析,建立了光的理论。但在全书中没有提起不同玻璃具有不同折射率,在全书中也没有做消色差的实验,这或许是由于他当时还没有获得不同质玻璃的三棱镜的缘故。但是牛顿制造反射式望远镜来避免物镜的色散,却是个妙法,迄今大型望远镜的制造还遵从此法。牛顿死后3年(1730)出版了经牛顿生前订校过的《光学》第4版。现在流行的1931年版本就是根据第4版重印的。

爱因斯坦在为牛顿《光学》1931年重印本所作的序中说：“牛顿的时代早已被淡忘了……牛顿的各种发现已进入公认的知识宝库,尽管如此,他的光学著作的这个新版本还是应当受到我们怀着衷心感激的心情去欢迎的,因为只有这本书才能使我们有幸看到这位伟大人物本人的活动。”

万有引力定律和《自然哲学的数学原理》

16世纪丹麦天文学家第谷对行星绕日运行作了长年累月的观测,他死后德国天文学家开普勒整理并分析了第谷的20年的观测记录,总结出行星运动的著名开普勒三定律。这个发现不仅为经典天文学奠定了基础,更重要的是导致了其后万有引力定律的发现。开普勒在得出行星运动三定律之前,1596年曾提出关于太阳行星间的吸引作用的思想；随之提出物体做圆周运动时出现离心力问题。一般认为伽利略已领悟到离心力,但对它作进一步的认识和计算则有待于牛顿。1664年1月20日牛顿在他的《算草本》上已提出如何计算物体做圆周运动时的向心力的具体方法。牛顿把推导、计算方法详尽地写入他的《原理》(第3版)第一编第二章命题4定理4下面推论1中,明确地指出：“因此,由于这些圆弧代表运动物体的速度,向心力就是这个速度的平方除以圆周半径。”从这里可以看出,向心力的求得对于距离平方反比定律的推导是不可少的。顺便提一下,惠更斯从不同途径推导得离心力方程和牛顿的相似,结果于1673年发表。牛顿虽在早年的《算草本》上提出求向心力的方法,但他自己说“惠更斯先生后来所发表的离心力理论,我相信在我之前”。引人注意的是,在《原理》第一编和第三编中,凡提到轨道运行时,牛顿都没有提及离心力一词,总是强调拉向轨道中心的向心力。

关于引力反比于距离平方定律,历史上记载了当时对此发明权的争论,有人以为距离平方反比定律可以从开普勒第三定律直接推出,但缺乏向心力的概念和运动,不可能推出这定律。而向心力的概念与运算都是牛顿最早做出来的。长牛顿7岁的胡克当年就宣称他早已知道引力反比于距离平方定律,但提不出证据来。当《原理》第1版在印刷时,胡克通过哈雷向牛顿要求分享此定律的发明权。牛顿加以拒。在《原理》(第3版)上述命题4下的注释中提到距离平方反比定律适用于天体运动时,牛顿说：“雷恩爵士、胡克博士和哈雷博士曾分别注意过。”同时也提及“惠更斯先生在他的出色著作《钟摆的振荡》中曾把重力比之于旋转体的离心力”。这样,人们对距离平方反比定律的发明权就有所了解了。有人认为,1666年牛顿在乌尔斯索普家中试图以地球表面大圆弧上1度的长度为60英里来计算月地之间的引力；通过实际计算,月球绕地球的周期与实际不能符合,算稿便弃置一旁。1682年牛顿获悉J.皮卡德的地球经度1度之长为69.1英里的数据,便重新计算,才使计算与实际观测相吻合。牛顿把日常所见的重力和天体运动的引力统一起来,在科学史上有特别重要的意义。行星绕日运动的轨道究竟是什么样?这是当时科学界所关心的问题。这问题答案的公开和《原理》的出版密切相关,科学史上已有生动的记载。1684年1月C.雷恩、哈雷和胡克3位英国当时科学界著名人士在伦敦相叙讨论行星运动轨道问题。胡克虽说他已通晓,但拿不出计算结果。于是牛顿的好友哈雷专程去剑桥请教牛顿。牛顿告诉哈雷他自己已计算过了,肯定地说,行星绕日轨道是椭圆；但手稿压置多年一时找不到,应允重新计算,约期3个月后交稿。哈雷如约再度访剑桥,牛顿交给一份手稿《论运动》,哈雷大为赞赏。牛顿在此稿基础上另写一书《论物体运动》,1684年12月送交英国皇家学会。此书第一部分主要相当于后来的《原理》第一编及第二编；而其余部分成为《原理》的第三编。哈雷怂恿牛顿写成《原理》全书公开出版,由他出资印刷,并亲自督校。1687年7月《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturaalis Principia Mathematica)第1版问世,时距1664年牛顿开始思考并进行草算已23年。《原理》第2版于1713年出版,第3版于1725年出版(见彩图牛顿名著《原理》(1686)扉页)。《原理》原用拉丁文写成。牛顿逝世后2年由A.莫特译成英文付印,即今所见的流行的《原理》英文本。《原理》第一编之前有两部分重要的论述。第一部分为定义。定义共8条,其中有关向心力的有5条。他说,施加于物体的力有不同来源,例如撞击、压力和向心力。向心力一词是牛顿创造的(在另一场合即惠更斯称之为离心力的补充词)。牛顿在定义一章中有长篇诠释,其中提到了一个假想实验：“在高山上发射炮弹、炮力不足,炮弹飞了一阵便以弧形曲线下落地面。假如炮力足够大,炮弹将绕地球面周行,这是向心力的表演。”今日人造卫星的设想在那时牛顿的脑子里已浮现出来了。在定义一章中牛顿尽情阐述了他的时空绝对性概念。他对人们熟知的空间与时间,择名绝对空间和绝对时间。牛顿认为,只有在绝对空间中绝对运动才可以觉察,特别是在物体旋转时。当时惠更斯和英国大主教G.贝克莱对此表示疑问。无论如何,这短短一章定义表达了牛顿对力与时空的基本观点,是研究牛顿的重要原始文献。

在第一编之前,除定义一章外,还有公理或称运动定理一章。在这章里牛顿阐述著名的运动三定律(见牛顿运动定律)。第一运动定律一般称作惯性定律,通常认为已由伽利略和笛卡儿所道出。为了要变更物体运动方向(或称变更运动速度)必须有外力作用,这其间必然会产生质量的概念。质量(原文物质的量)这个基本概念是由牛顿在《原理》第一编定义章中首先提出的,成为物理学中最基本概念之一。他清楚地把质量和重量区分开来,阐明了在各种不同环境中两个量的相互关系。在力学中牛顿用质量表示物体的特征。爱因斯坦指出：“只有引进质量这一新概念之,他(牛顿)才能把力和加速度联系起来。”动量一词牛顿也作了定义。牛顿指出,动量是衡量物质运动的量,它联系物质与运动两个量；物质加倍,动量加倍；物质与运动都加倍；动量即为原来的4倍。随后阐述动量守恒。牛顿在运动三定律之后有7个推论,其中论述到两力同时作用一物体上,则物体加速度方向和力的合成都在两力平行四边形的对角线上。此后还有一段很长的诠释,总论运动三定律的联系性,还用两摆的弹性碰撞和非弹性碰撞实验来阐述运动守恒并说明第二定律和第三定律之间的关系。从上面看,牛顿运动三定律不是分立的,而是相关的。牛顿早年在《算草本》中以碰撞实验研究力,在《原理》中他强调以“冲量”作为力的概念。随后发展这个概念,说无限短促间隙的相关系列冲量就成为连续作用力。这句话就包含以微分形式表达力的定义。牛顿设想,一质点在直线上作惯性运动,这质点和线外某一定点相连,在相等时间内这联线扫过的面积必然相等；如果在线上某点遇到一个外力,则质点要偏向质点原运动方向与外力方向之间的某一方向上运动。牛顿用他创造的无限小概念极限的方法最终证明了：一个运动着的质点,受到某个定点的外力作用,如果这个外力在质点和定点的联线上,而且力的强度反比于距离二次方,那么这质点运动轨迹很可能是个椭圆,这定点就是椭圆的焦点。于此,牛顿得出行星与太阳之间联线所扫过的面积必然和时间成比例。牛顿又设想,质点在椭圆上从一点经过无限短时间运行,这质点在短暂时间运行所到之处偏离切线的距离反比于从焦点到该点的距离平方。而当椭圆上两点相接近时,牛顿得出,在这极限情况下开普勒的面积定律是关键条件。总之,牛顿得到如下结论：假如面积定律有效,椭圆形轨道意味着指向焦点的力必然反比于距离平方。牛顿于是着意证明,面积定律是作用在运动物体的力指向中心的充分和必要条件。这揭示了开普勒的第一、第二两定律的重要性。《原理》第二编论述在有阻力媒质(气体、液体)内的质点运动。牛顿在这里用了更多的数学方法,而物理涵义较前为少。在第一编里牛顿费尽心力用各种方法证明宇宙间引力(向心力)之存在；而在第二编里,牛顿设想,在媒质中阻力与物体运行速度成正比；又设想与速度平方成正比；甚至认为一部分为速度之比,另一部分为速度平方之比。他还论证过一些其他的问题。在这些工作中牛顿以数学技巧来处理一些看来无实际物理意义的问题。他还研究了气体的弹性和可压缩性。在《原理》第二编中,牛顿用摆在流体中的运动实验测定重量(即地球引)和惯性大小的关系。在经典物理学中这两个量只能由实验来测定。关于声学的研究,《原理》第二编中记载了牛顿从理论上研究声速(见定理48、49、50),所得结果比实测低16%。他认为声速正比于所谓“弹性力”的方根而反比于媒质密度方根。牛顿又研究了声传播的形式,他说声的传播是空气的脉动所致,指出波的脉动只是媒质中质点上下交替运动,与摆的运动无异。在第二编最后文字中牛顿澄清了涡旋假设与天体运动无关。牛顿原想把《原理》第三编写成一般性的总结。但后来改变了计划,标题为“宇宙体系”。在这编里讨论了太阳系的行星、行星的卫星、彗星的运行,以及海洋潮汐的产生。他把这些作用的力叫做引力,即今所谓万有引力。他解释引力是两物体间相互作用的力,太阳对行星有引力使之在轨道上运行,同时行星对太阳也有作用力,这是运动第三定律规定的。只是太阳与行星的质量悬殊太大,太阳的运动微乎其微。行星之间运动相互受到引力干扰,所谓多体问题中的摄动,牛顿在第三编中阐述了太阳对月亮的摄动,土星对木星的摄动。在第三编中还计算了木星卫星的距离与卫星运转周期,作为开普勒第三定律的实例。

1680年11月与1681年3月大彗星两度出现。牛顿开始以为是在直线上运动的两个不同的彗星,只是方向相反。夫拉姆斯蒂德通过观察提醒牛顿,这只是同一个彗星,绕着太阳运动。于是牛顿通过计算得出,1680年的彗星是以太阳为焦点作抛物线运动,它对太阳的向心力也是服从距离平方反比定律的。1695年哈雷假定这颗1680年彗星的轨道是绕着太阳运行的一个扁而长的椭圆形。哈雷与牛顿对此重作计算。在《原理》第2版和第3版的第三编中有详细的观测记录和推算,预言这颗彗星约以75年绕日运动一周,即今日所知著名的哈雷彗星(中国最早对此彗星的记录在公元前1057年)。最后牛顿在结论中说,“彗星是行星之一种,它绕太阳运行具有极大的偏心率”但他又说“三次观测数据即可定出彗星在抛物线上运动轨道”。

谈牛顿的物理学,不能不提及他在数学上的伟大贡献。《原理》的全名是《自然哲学的数学原理》。所谓自然哲学在那时的含义包括物理、化学等,而主要是物理学。上面提过第一、第二两编的中心是借数学方法来阐明物体运动的规律,因此可以看出数学在《原理》中的重要地位。读者初读《原理》往往以为是作者写作时崇尚古希腊欧几里得的几何的规范。但细读就可发现作者取几何学的形式而实质赋有崭新的内涵。作者在建立几何条件之后,立即引入某种经过精心下定义的所谓极限法。这种方法基于极限术的一组普遍原理,有别于经典式的古希腊几何学。极限学说详述在《原理》第一编第一章11个引理和诠释之中。在那里详细说明了极限的意义：有两个相互依赖的物理量,当两个量逐渐变小时,牛顿称它为流数,它的比率也在逐渐变化,而自变量达到无限小时比率达到一个极限定值,牛顿叫它流率。即今称导数或微商。牛顿发现他的流变术非常有用,反过来此术可以求曲线包围的面,即今所称积分。第一编第八章命题41即为积分术的应用。可以说,《原理》一书的中心内容是论述了牛顿在数学上的伟大创造即微积分术,并且应用这个创造去解决天体运动以及其他相关物理问题。微积分之发明,史家也归功于莱布尼兹,对于这一数学上的伟大发明,牛顿与莱布尼兹孰先孰后,后世论者纷纷；即在当时两方亦就此书信往来,已有争议。试听爱因斯坦如何赞美牛顿的微分发现。他说“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求。微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。

牛顿一生的重要贡献是集16、17世纪科学先驱们成果的大成,建立起一个完整的力学理论体系,把天地间万物的运动规律概括在一个严密的统一理论中。这是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。以牛顿命名的力学是经典物理学和天文学的基础,也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。这一成就,使以牛顿为代表的机械论的自然观,在整个自然科学领域中取得了长达两百年的统治地位。

哲学、宗教和其他

亚里士多德的哲学讲求事物的和谐,求和谐思想是正确的,但亚里士多德认为天上的日、月、星辰的运行轨道是圆形,因为只有圆运动才是完美的、和谐的,而地上的运动,例如重物直线下落是凡俗的。古希腊哲学家的和谐思想不能在天与地之间连贯。到了17世纪,牛顿用引力理论和运动三定律把天上行星和它们的卫星运动规律,同地上重力下坠的现象统一起来,实现了天上人间的统一,这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献。众所周知,牛顿在理解光的本质上持微粒说。但他在同胡、惠更斯等讨论光的本质时,说光具有这种或那种本能激发以太的振动。这意味着以太是光振动的媒质。于此,似乎牛顿对光的双重性有所理解；其实不然,他对以太媒质之存在极似空气之无所不在,只是远为稀薄、微细而具有强有力的弹。他又申说,就是由于以太的动物气质才使肌肉收缩和伸长,动物得以运动。他又进一步以以太来解释光的反射与折射,透明与不透明,以及颜色的产生,他甚至于设想地球的引力是由于有如以大气质不断凝聚使然。《原理》第二编第六章诠释的结尾说,从记忆中他曾做实验倾向于以太充斥于所有物体的空隙之中的说法,虽然以太对于引力没有觉察的影响。14、15世纪以来欧洲的学者对以太着了迷,以太学说风靡一时。当时科学巨擘笛卡儿对以太存在深信不疑。他认为行星之运行可用以太漩涡来解释。以太学说成为一时哲学思潮。尊重实验的牛顿也不免卷入这股哲学思潮激流中去,倾向于它存在。当时人们对超距作用看法不一。牛顿曾经指出他的引力相互作用定律,并不认为是最终的解释,而只是从实验中归纳出来的一条规则。因此,牛顿并未就引力本质作出结论。

牛顿在科学上的成就须由他的哲学思想和科学方法来寻根求源。牛顿的学生R.科茨曾在《原理》第2版序言中道出了其中的奥妙。古希腊、罗马的哲学家凭着对自然现象的观察和思考(中国先秦时代也有类似之处)总结出论断,例如泰勒斯的学说：万物的根源是水。即使像德谟克利特、卢克莱修的原子论,现在来评价还是很高的。但是他们的方法凭天才的臆测、思维与辩论,称之为思辨哲学。到了中世,经院哲学统治着欧洲。科学、哲学沦为神学的奴婢。到15、16世纪,哥白尼、G.布鲁诺、伽利略等人不畏坐牢、火刑等坚持不屈地向教会作斗争,挣脱了侍奉上帝的桎梏。对自然现象的观察、测量和实验的风气逐渐形成了。在物理学科中伽利略的实验工作是实验物理学的开端,牛顿深受其影响。随后牛顿使作为实验科学的物理学形成一个光辉体系,同时也使科学实验方法闯入了哲学思想的殿堂。

牛顿认为从现象中可以得出科学原理,或者说科学基本原理可以从现象中导得或推出。牛顿在《原理》和《光学》两书中明白表达他的做学问的方法,即要明白无误地区别猜测、假设和实验结果(及由此而归纳得出的结论),还有从某些假设条件下所得到数学推导。《原理》第一编十四章中处理细微粒子的运动和第二编命题23中设想气体中有相互排斥质点的模型都是牛顿运用具有物理实质性的数学模型的例子,但是他对这些问题缺少实质性的实验证据,未能写出无可辩驳的论述。论者可能认为牛顿只注重从实验运用归纳法得出定律,而无视演绎法的重要性。这是有违事实的。1713年牛顿在出版《原理》第2版时在给他的学生科茨的信中提到运动定律是居于首位的定律或称之为公理,并说它们都是从现象中推断或称演绎而来的,并运用归纳法使之普适化。牛顿说：“这是一个命题在哲学中所能达到最高境界的例证。”诚然,必须看到归纳与演绎不能人为地对立起来。恩格斯指出“归纳和演绎正如分析和综合一样,是必然相互联系着的。不应当牺牲一个而把另一个捧到天上去”。牛顿在此早着先鞭。关于实验与假设之间的关系,牛顿在各种场合都有论述。他在给奥尔登堡的信中说：“进行哲学研究的最好和最可靠的方法,看来第一是勤勤恳恳地探索事物的属性并用实验来证明这些属性。然后进而建立一些假说,用以解释这些事物的本性。”给科茨信中说：“任何不是从现象中推论出来的说法都应称之为假说,而这样一种假说无论是形而上学的还是物理学的,无论属于隐蔽性质的还是力学性质的,在实验哲学中都没有它们的地位。”牛顿这些论述奠定了自然哲学的基础,启开了实验科学的大门,300年来为自然科学的繁荣立下了不朽功勋。牛顿研究事物规律的方法不同于那些只从简单的物理假设出发的人,而是通过逻辑的演绎法得到对事物现象的解释。爱因斯坦指出：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础,从这基础出发他用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合。”“在牛顿之前还没有什么实际的结果支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿是完整的物理因果关系创始人；而因果关系正是经典物理学的基石。牛顿出身于笃信基督教的家庭。在剑桥求学时代,他就怀着宗教生活里亦如科学实验一样可以自由自在的幻想和工作。《原理》完成后,他便着手有关基督教《圣经》的研究,并开始写这方面的著作,手稿达150万字之多,绝大部分未发表。可见牛顿在宗教著述上浪费了大量时间的精力。关于牛顿在1692～1693年间答复本特莱大主教4封信论造物主(上帝)之存在,最为后人所诟病。所谓神臂就是第一推动出于第四封信中。从现代宇宙学来说,第一推动完全可能在物理框架中解决,而无需“神助”。

牛顿反对那时英国的国教“英格兰教”。他反对三一教义,但不鲜明表白自己的意志,只是隐蔽地表明不愿担任圣职。总之,在对于宗教问题上牛顿比之于他的先驱者如哥白尼、布鲁诺、伽利略等赴汤蹈火而不辞的精神,则逊色多了。

1942年爱因斯坦为纪念牛顿诞生300周年而写的文章,对牛顿的一生作如下的评价“只有把他的一生看作为永恒真理而斗争的舞台上一幕才能理解他”。此赞语最恰当不过的了。

牛顿对中国的影响

牛顿的经典力学决不只是影响了自然科学界、工业和技术界,更重要的是它唤醒了人们对科学真理的认知,从而推动了社会变革和人们的思想革命。如同法国伏尔泰等人在十八世纪宣传和普及牛顿物理学,从而推动了法国的启蒙运动一样,牛顿学说在中国的传播也为清末资产阶级改良派掀起社会运动提供了舆论准备。如果前者为众所周知,那后者就似乎鲜有所闻了。清末戊戌(1898年)变法运动的主将康有为、梁启超和谭嗣同等人,都无例外地从牛顿学说中寻找维新变法的根据,尤其是牛顿在科学上革故图新的精神鼓舞了清末一切希望变革社会的有志之士。

在1840年之前,欧洲文艺复兴运动以来的科学学说和科学思想、因为与圣经和神学相抵触而基本上未曾传入中国。明清之际虽有来华教士参与中国编撰历法工作,但只是在不得已情况下,才采用了开普勒或牛顿的一些天文数据。鸦片战争之后,哥白尼的太阳中心说、开普勒的椭圆轨道、牛顿的万有引力三者才光明正大地相继传入中国,它们和中土奉为圭臬的“天动地静”、“天圆地方”、“阴阳相感”的传统有天壤之别。这就不能不引起中国人的巨大反响。

1859年刊行了三部和牛顿物理学关系密切的译著：一是李善兰和伟烈亚力合译的《谈天》；二是李善兰和艾约瑟合译的《重学》；三是李善兰和伟烈亚力合译的《代微积拾级》。这三本书原是欧美的科普著作或大学低年级的教科书。第一本译书主要讲述牛顿的万有引力概念及其定律；第二本译书介绍了牛顿的运动三大定律；第三本介绍了牛顿的微积分计算方法。而牛顿的光学实验和光学理论较为详细、准确地介绍到中国是光绪五年(1879)的事,这是通过赵元益(1840～1902)和传教士金楷理合译英国物理学家丁铎尔(1820～1902)的《光学》而完成的。可以说,1859年是牛顿的物理学、天文学、数学比较全面、集中地传播到中国的一年,中国学者李善兰为此做出了杰出的贡献。

早期牛顿的中译名为“奈端”,力学译为“重学”,万有引力译为“摄力”。李善兰在译《重学》之前曾请教传教士艾约瑟“何谓重学?”艾约瑟答曰：“几何者,度量之学也；重学者,权衡之学也。昔我西国,以权衡之学制器,以度量之学考天；今之制器考天,皆用重学也。故重学不可不知也。”李善兰通过译书,极大地提高了自己的科学水平,甚至超过了许多传教士。他在《重学》自序中简洁地总结了牛顿的三大运动定律就是一个例证。在《谈天》自序中,李善兰指出,古希腊托勒密的学说和天地运动“不能尽合”,“刻白尔(开普勒)求其故,则知五星与月之道皆为椭圆。其法行面积与时恒有比例也。然俱仅知当然而未知所以然。奈端求其故,则以为皆重学之理也。”接着李善兰简略地叙述了牛顿怎样以“摄力”解释和计算天体的运动,并且大声疾呼：牛顿的运动定律“定论如山,不可移矣”。牛顿的万有引力理论“精深神妙,不可改也”。牛顿的物理学和天文学就这样在中国学者之间流传了。

由于明末清初来华耶稣会士传入中国的宇宙观主要是附属于神学的托勒密地心说。后来,这些教士为了向中国皇宫和中国人交出一份较中国传统更为准确的历法,才不得不采用开普勒的椭圆轨道和等面积定律。但是,他们决不放弃地心说,拒绝将地球放在椭圆的一个焦点上。这样,就在中国学术界曾一度引发了关于宇宙观激烈争论。通过李善兰等学者翻译并出版上述三书,尤其是李善兰在“序”言中对于近代科学的宇宙观发出“不可更改”的呐喊,并且声称自己“主地动及椭圆之说”,又告诉读者,“此二者之故不明,则此书不能读”,这才使近代科学的宇宙观得以在中国传播开来,中国传统的盖天说、浑天说,来自西方的神化了的地心说等从此才烟消云散。李善兰的《谈天·序》是当时中国一批先进学者接受新的科学宇宙观的宣言书,成为中国人从传统宇宙观向科学宇宙观转变的一块历史界标。因此,李善兰出版《谈天·序》的1859年,是中国人宇宙观发生根本转变的标志性的一年。李善兰本人在译完《谈天》之后,也曾兴奋地预料这种转变,他说：“此书一出,海内谈天者,必将奉为宗师。”

《谈天》出版之后,引起了中国人极大反响,以致该书前后重印了13次,之后又以活字印刷；1874年又由徐建寅将那些迄1871年为止的西方天文、物理最新成就作补充,由江南制造局增订出版。梁启超称此书“最精善”。他认为,人每日居天地间而不知天地作何状,是谓大陋,因此,《谈天》一书“不可不急读”。《谈天》和《重学》两书中述及的科学思想和宇宙观不久为青年学生熟练掌握。上海格致学院已丑年(1889)春季考课作文中,孙维新、车善至、钟天纬三人的答卷将新宇宙观描述得清晰明了,以致他们三人分获超等一、二、三名。在戊戌(1898)维新运动、辛亥(1911)革命过程中,这个科学的新宇宙观曾被人们当作变革社会的鼓舞力量。

在戊戌变法之前,各地相继成立学会。他们聚徒讲学,介绍西学,倡导新说,给维新变法运动提供包括自然科学方面的理论根据。曾经游历英国并精通西洋科学的王韬,撰有介绍牛顿学说的《西国天学源流》和《重学浅说》。历史学家范文澜在其著《中国近代史》中说,王韬“著书多种,对变法运动有很大影响”。梁启超在1897年用半年时间读完了当时各地译出的西书,其中包括有关牛顿学说的各种著作。在一部以收集支持变法维新的论著为己任的《皇朝蓄艾文编》里,宋育仁(1858～1932)作《序》说：“昔人云通天、地、人谓之儒。由汉迄今,实践无愧者,颇难其人；惟泰西名家,如培根、奈端、兰麻克、哥白尼辈,各以颖悟辟新理,卓然名某家者,稍稍近似。岂西人智而华人愚耶!”既然不是“西人智而华人愚”,在维新变法者心中,自然只有“除旧布新”。正如一百又三天的维新运动所颁布的命令一样：废八股、办学堂,奖励新著作、新发明,广开言路、提倡实业,准许私人办厂等。(www.xing528.com)

在维新派与顽固派斗争激烈的湖南,力主变法的皮锡瑞在谭嗣同创办的南学会讲学,而他的儿子、一个在哥白尼和牛顿学说影响下的年轻人,旋即著《醒世歌》：“若把地球来参详,中国并不在中央。”换句话说,大清帝国不在地中央,地不在天中央。日月五星都依据万有引力定律在宇宙太空中绕日作椭圆轨道运动。这在封建王朝的统治者和顽固派看来是多么可怕的世界观呀!难怪《醒世歌》一传开,就招来了许多训斥。

“戊戌六君子”之一的谭嗣同奋笔疾写了一篇维新运动的激烈的宣言书《仁学》,他在“自叙”中高声疾呼：“吾将哀号流涕,强聒不舍”,“冲决君主之网罗,冲决伦常之网罗,冲决天之网罗。”曾经积极推行维新变法的梁启超概括《仁学》的实质说：“《仁学》内容之精神,大略如是。英奈端倡‘打破偶像’之论,遂启近代科学；嗣同之‘冲决网罗’,正其义也。”

康有为在《康南海自编年谱》中自称“大购西书,大讲西学”,“大攻西学书,声、光、化、电、重学……,专精学问,新识深思,妙悟精理,俯读仰思,日新大进。”他在《诸天讲》中又写道：“至康熙时,西一六八六年,英人奈端发明重力相引、游星公转互引,皆由吸拒力。自是天文益易明而有所入焉。奈端之功以配享哥白尼可也,故吾最敬哥、奈二子。”可见康有为对牛顿之推崇,并受牛顿学说影响之深。

可是,戊戌变法运动只有短命的一百又三天,它的失败当然不能归结为宣传牛顿科学理论的不成功,其中的原因是相当复杂的。牛顿的科学理论不仅影响了法国十八世纪的资产阶级革命,也影响了十九世纪和二十世纪之交的中国社会变革,对此牛顿本人是绝不可能预料到的。在戊戌变法失败后的十几年,领导辛亥革命的孙中山先生,在青年时代,顽强地学习,获得了大量而又系统的自然科学知识。其中包括达尔文的进化论、牛顿的万有引力学说。孙中山先生高度地评价牛顿：“达尔文发明物种进化之理,而学者多称之为时间之大发明,与牛顿氏之摄力为空间之大发明相媲美。”他还把牛顿的科学理论作为他的“建国方略之一、心理建设”的一个思想基础。

趣闻轶事

关于苹果落地的故事

一个偶然的事件往往能引发一位科学家思想的闪光。

这是1666年夏末一个温暖的傍晚,在英格兰林肯郡乌尔斯索普,一个腋下夹着一本书的年轻人走进他母亲家的花园里,坐在一棵树下,开始埋头读他的书。当他翻动书页时,他头顶的树枝中有样东西晃动起来。一只历史上最著名的苹果落了下来,打在23岁的伊萨克牛顿的头上

恰巧在那天,牛顿正苦苦思索着一个问题：是什么力量使月球保持在环绕地球运行的轨道上,以及使行星保持在其环绕太阳运行的轨道上?为什么这只打中他脑袋的苹果会坠落到地上?正是从思考这一问题开始,他找到了这些的答案——万有引力理论。

由于牛顿的《自然哲学的数学原理》一书用的是欧几里得几何学的表述方式,它是一个严密的、完美的体系,书中没有叙述苹果落地的故事,致使许多人对苹果落地一说持保留意见。

实际上,牛顿的亲戚和朋友多次证实苹果落地的故事。法国文学家、科学家伏尔泰曾追忆过,他在牛顿去世前一年,即1726年去英国时,听牛顿的继姊妹说过,一天,牛顿躺在苹果树下,忽然看到一个苹果落地,引起了他的思考。牛顿灵机一动,脑中突然形成一种观点：苹果落地和行星绕日会不会由同一宇宙规律所支配的?悟出了万有引力定律。

牛顿晚年的一位密友斯多克雷也明确提到,在1726年4月的一天,和牛顿共进午餐后,一起来到牛顿家后园,并在苹果树下饮茶。在谈话中“他(指牛顿)告诉我正是在过去同样情况下,注意引力的思想出现在他的脑海里,那是在一棵苹果树下偶然发生的,当时他处于沉思冥想之中。”

还有牛顿晚年的另一位密友潘伯顿在有关追忆牛顿的著作中,也谈及因苹果落地而引起验证引力平方反比关系的故事。

牛顿在晚年再次讲述当时苹果的故事,那是离苹果落地时已经是60年过去了,为什么一个老人对此事记忆那么深刻,我认为有两个原因：首先是因为万有引力定律是一项举世瞩目的辉煌的成果,当事人对触发灵感的事件当然是深深的激动和怀念的；其次是与胡克的争执也留下深深的记忆,牛顿就从一个侧面澄清事实真相,应该认为苹果落地一说的事实是成立的。

科学研究的痴情

牛顿对于科学研究专心到痴情的地步。据说有一次牛顿煮鸡蛋,他一边看书一边干活,糊里糊涂地把一块怀表扔进了锅里,等水煮开后,揭盖一看,才知道错把怀表当鸡蛋煮了。还有一次,一位来访的客人请他估价一具棱镜。牛顿一下就被这具可以用作科学研究的棱镜吸引住了,毫不迟疑地回答说：“它是一件无价之宝!”客人看到牛顿对棱镜垂涎三尺,表示愿意卖给他,还故意要了一个高价。牛顿立即欣喜地把它买了下来,管家老太太知道了这件事,生气地说：“咳,你这个笨蛋,你只要照玻璃的重量折一个价就行了!”

喜欢养猫

传说牛顿在盖房子时,坚持要留大小两个猫洞,好让大猫走大洞、小猫走小洞。当然,这只是个传说,不足为据。不过牛顿喜欢养猫倒是真的。由于牛顿终身未婚,猫成了他生活中不可缺少的伙伴,但猫也给他惹了不小的麻烦,1692年牛顿母亲去世使他极其痛苦。一天早晨,他为了平静一下,到剑桥大学礼拜堂做礼拜时,忘了熄灭蜡烛,可能是猫闯的祸,蜡烛翻倒后,把摆在桌上的光学、化学手稿和其他论文化为灰烬。

终身未婚之迷

牛顿少年时代在一首诗里表白自己的远大抱负：

世俗的冠冕啊,我鄙视它如同脚下的尘土,

它是沉重的,而最佳也只是一场空虚；

可是现在我愉快地欢迎顶荆棘冠冕,

尽管刺得人痛,但味道主要的是甜；

我看见光荣之冠在我的面前呈现,

它充满幸福,永恒无边。

可以说,每一个伟大的科学家,都是富的激情、富有理想的诗人,但牛顿是一个追求用科学中的光线谱来解释他的理想的特殊类型的诗人。他让他的思想展翅飞翔,以整个宇宙作为藩篱。在他的整个心田里,填满了自然、宇宙。也许这是他终身未娶的最根本原因。

不过,牛顿并没有完全与爱情绝缘。他一生中甚至有过两次恋爱。牛顿23岁正在剑桥大学求学时,由于剑桥发生了瘟疫,学校放假。牛顿回到乡下,住在舅父家里。在那里,他一次爱上了美丽、聪明、好学、富有思想的表妹。表妹也很喜欢这个学识渊博、卓见非凡的大学生。他们常常一起散步。牛顿喜欢即兴发表长篇讲话,他的讲话内容又多是他正在学习和研究的问题。表妹虽听不懂,但她还是耐心地听,似乎觉得很有趣。牛顿在心里想：“这样一个可爱的女子,对于我所讲的觉得这样有味,我一定很不错。当然,她的脑筋一定也很好,是个不平凡的女子。如果能得到她的帮助,解决我的许多困难问题,与我共同工作,那该多好啊!”

但是牛顿生性腼腆,并未及时向表妹表白心中的爱情。等他回到剑桥大学后,又聚精会神地沉浸到科学研究中去了。他早已忘记了远方的乡村还有一位美丽的少女在等着他。他对个人生活一直不予重视,而她的表妹却误以为牛顿对她冷淡,便择夫另嫁了。牛顿因醉心于科学研究而耽误了一次爱情的大好时机。

牛顿实在太忙了,他连做梦想是宇宙、世界。他往往领带不结,鞋带不系好,马裤也不扣好,就走进大学餐厅。尽管如此,牛顿毕竟是个年轻人,还有一颗浪漫的心。有一次,“青春迫不及待的激情”,催使他向一位年轻姑娘求婚。他轻轻地握着她的手,含情脉脉地看着这位美人。正在这紧要关头,他的心思忽地溜到另一个世界去了。他的头脑中只剩下无穷量的二项式定理。他像做梦似的,下意识地抓住情人的一个手指,把它当成是通烟斗的通条,硬往烟斗里塞。姑娘痛得大叫一声,他才清醒过来。面对吃惊的姑娘,他连忙像只绵羊似的柔声道歉：“啊,亲爱的,饶恕我吧!我知道,我是不行了。看来,我是该打一辈子光棍!”

姑娘饶恕了牛顿,却无法理解他,爱情又成了泡影。科学上许多新的问题不断扑向牛顿的脑海,他整个热情都集中到了科学事业上。此后那种“青春的热情”再也没有涌现