运动定律和“牛顿革命”

运动定律和“牛顿革命”

如果我看得更远，那是因为我站在　巨人肩上的缘故。

——牛顿（Isaac Newton， 1642—1727）

伽利略的去世标志着一个时代的结束。在意大利，伽利略已经为强有力的新“科学方法”奠定了基础。但是即便在伽利略的时代，确切地说是到他逝世为止，意大利的伟大文艺复兴运动已经开始接近尾声。到了17世纪中叶，意大利已经不再为科学家提供最好的训练基地了。

在欧洲其他地方，新的政治结构采取了或多或少的统一政策，正在代替旧的封建社会，由单一民族组成的国家。但是，在意大利，旧的城邦仍然互相间持有敌意，似乎看不到团结起来形成统一力量的迹象。与此同时，到了15世纪末，航海家发现了一条绕过非洲好望角，通往东方的海上贸易通道，可以代替穿过中东的陆上通道，而意大利多年来曾经垄断了这条陆上通道。1661年，英国人得到了印度的孟买，结果英国与印度的贸易大幅增加。具有讽刺意味的是，1492年，正是意大利人哥伦布（Christopher Columbus，约1451—1506）为欧洲人发现了大西洋彼岸的新世界，哥伦布当然不是以意大利的名义而出航，因为没有足够财富作支撑的、各个城邦相互独立的意大利是没有兴趣送他出航的。到了17世纪中叶，英国、法国、荷兰因此而财运亨通。当时意大利和希腊已经不再是西方世界的中心了。所以，扩张的精神在英国等国正在为科学的新进展提供更好的土壤。

再有，罗马天主教会对于宗教改革的强烈抵制在英、法等国收效甚微。1534年英国建立了独立的英格兰教会，由英国国王，而不是教皇担任首脑。17世纪40年代发生了一系列内战，也叫做清教徒革命，思想自由的事业因此更是得到大大地推进。即使英国在1660年回到了君主政体，政治和宗教领域观念上的冲突仍然引起了思想动荡，从而鼓励了独立思想和新观念的出现。

伟大的综合者

牛顿在物理学中的地位只有20世纪的天才爱因斯坦才能向其挑战。

这就是牛顿于1642年12月25日出生后来到的世界［他的生日是按当时英国采用的罗马儒略历（即公历）计算的］，这个世界充满了政治骚乱和宗教冲突。然而，他的家乡却是一个相对平静的农场，位于林肯郡的伍尔索普乡村，林肯郡是英国东部以农业为主的郡。由于早产，他是如此瘦小，以至母亲如此形容，他可以装在一个量杯中。牛顿的童年非常孤独——父亲在他出生前去世，三岁时母亲改嫁，把他交给了祖母，他的童年大部分是和祖母一起度过。作为一个孩子，他常以制作一些小玩意来自娱自乐，诸如里面点着蜡烛的风筝，在天空中闪闪发光，还有水钟和日晷。有段时期他与一位药剂师搭伙，在那里他迷上了炼金术。他不乏好奇心，但在学校里还看不出什么苗头，至少在发生这起事件之前：班上有一个小恶棍，偶尔成绩居于班上的前列，有一天牛顿和他发生了冲突。出于好强和荣誉感，牛顿突然开始发奋学习。

牛顿的母亲总是认为她的儿子应该接管农场事务，因为这时她的第二个丈夫也已去世。但是当牛顿离开学校承担农务时，显然他没有这方面的才干，相反，一有机会他总是与书为伴。多亏他的叔叔，一位剑桥三一学院的成员，把他送到剑桥大学。牛顿于　1661年入学，1665年毕业。即使在23岁的年纪，他仍没有显示出特殊才华。毫无迹象表明他会成为科学革命的巨匠，从哥白尼、开普勒和伽利略以及其他人的思想中脱颖而出。也没有迹象表明他会在理论物理学和动力学方面作出伟大贡献。同样他也未表露出会在光学和数学领域取得巨大成功。

但是在1665年，一场鼠疫——大瘟疫——袭击伦敦，这座城实际上成了死城。剑桥也难以幸免，于是，牛顿离开大学回到相对安全的林肯郡农场，在那里，他利用18个月的长假，开始整理一些思想。在这段时期里，他奠定了微积分的基础，这是一种数学计算方法，它的发明使得科学家能够应付复杂的方程式。也就在此期间，他注意到了一个苹果落到地面（尽管不像传说的那样落在他头上）。（历史学家对此事的真伪提出质疑——但是有人辩护说，至少可以说明，看来牛顿的思考是建立在观察之上的。）这件事使他若有所思，也许把苹果拉下地面的力跟维持月亮沿轨道运行的力是同一个力？这一观念代表了与亚里士多德传统的决裂，亚里士多德坚持说，地上和天上运行的是两套完全不同的定律　。而牛顿开始看到　，苹果与月亮遵循　同样　的　自然定律，只有一套普遍的定律，而不是两套。

在牛顿被迫闲居乡间时，他还做了一系列涉及光的精彩实验。当时，每个人都假设白光是因为缺乏颜色。为了试验这一点，他把一块棱镜放在一个用厚帘子遮住的暗室前面，让它刚好位于暗室的开口处，以便阳光穿过它投射到屏上。光线分解成如彩虹般的颜色——红、橙、黄、绿、蓝和紫。这些颜色是从哪里来的？是棱镜产生的吗？牛顿猜测它们是光线本身的成分，所以他把折射光，也就是彩虹“光谱”以相反方向穿过另一个棱镜。各种颜色重新合并，在屏上出现了清晰的白光点。

1667年牛顿回到剑桥，1669年成为那里的数学教授。回到剑桥时，他刚好25岁，对牛顿来说，一生的主攻方向已经确定，但是他现在已经不再离群索居。他生活在这样一个伟大的时代，科学受到广泛关注，到处都充满挑战、交流和争论，他卷入其中，也许身不由己。1672年，牛顿被选为皇家学会会员，他在这里报告了有关光的实验和光学理论。尽管话语不多，但他还是看到了荣誉以及公开交流的价值所在。

然而对于牛顿来说，与皇家学会打交道并不事事顺利。皇家学会的实验主管胡克也做过某些类似的实验——尽管不如牛顿那样透彻明确，于是，他马上提出反驳。1665年，胡克曾在他的著作《显微术》（Microgra phia ）中公布过光的波动理论，把光的传播比作水波。他还提出过一个颜色理论，用以解释薄膜的颜色和通过薄云母片观察到的光。但是他的观察只局限于两种颜色，红和蓝，而他的解释也不甚充分。尽管如此，他还是感到牛顿踏进了他的领地，于是一场终生的怨仇开始了。

孤独的童年在牛顿的一生留下了深深的烙印，他一辈子不结婚，经常陷入轻微的妄想、具有动辄抗争的性格。因此，他在许多情况中都不能与其他科学家或同事密切合作。然而，正如他自己首先承认的那样，在其他人工作的基础上，他使那些似乎有效却又充满矛盾的方法和理论得到整合、澄清和综合。

比牛顿早出生约100年的牛顿的同胞培根（Francis Bacon）以及法国哲学家笛卡儿的科学方法是一个很好的范例。1620年培根提出现在所谓的归纳（a posteriori）推理法。和伽利略一样，他相信科学思想必须建立在第一手观察和实验的基础上。再有，关于普遍真理的结论应该基于特定的观察事例而推出。他认为，演绎（a priori）推理法，一种希腊人深深迷恋的“空谈”哲学，已经在相当长的时期内使思想家误入歧途。培根的思想得到了支持，因为这些思想很好地符合英国的宗教状况。英国的宗教看重个人的宗教体验，而不是教条。这些思想也与下一世纪的工业革命相当合拍，这场革命强化了英国日益增长的经济实力。

与此同时，比培根年轻35岁的笛卡儿在法国却以不同方式提出了对立观点，他在1637年出版了《方法谈》（Discours sur la méthode ）。他信奉演绎推理，其中先验推理是关键步骤，其推理过程是从一般到特殊。

对于笛卡儿来说，关键问题是人们是怎样获得知识的。例如，我怎么知道我存在？在《方法谈》中，他的结论是“我思故我在”（Cogito ergo sum）。他提出机械论宇宙的思想，认为是上帝创造了宇宙，但宇宙的运行却是根据最初确立的法则（他差一点就提出了这样的思想：宇宙一旦投入运行，上帝就不再干预；这一思想是后来在启蒙运动时期提出的）。他认为，宇宙是由两种类型的物质组成——一种是创生出来的，或叫“广延”；另一种是灵魂——能思想的存在（人类）才拥有它——这样的二元论成了笛卡儿哲学的重要部分。笛卡儿对17世纪的欧洲有巨大影响，尽管他似乎以某种方式回到了旧希腊的老路上。

笛卡儿被认为是第一位近代哲学家，他对科学、数学和哲学作出过重大贡献，他主张运用数学和科学就可以对物理世界作出预言。

但是，笛卡儿也是第一位试图用数学方法来描述宇宙总貌的人。他至少有一项重要贡献，就是发明了解析几何学，这才有可能对付那些从前未曾碰到过的复杂计算。在微积分引入数学宝库之前，这是希腊古典时期以来，在科学的定量工具方面最伟大的突破。

牛顿接受了上述两大遗产，他拿来培根、伽利略和吉尔伯特的实验主义和归纳方法，使之与笛卡儿的定量方法相结合，打造出新的、甚至更强大的方法，这就是运用数学工具表达并且构建实验结果。

笛卡儿还试图解释开普勒引入的问题，行星为什么以椭圆轨道运动？这是当时最大的奥秘。然而奇怪的是，他对此的态度与其说是数学的，不如说是描述性的。笛卡儿和亚里士多德学派一样，主张不存在真空之类的东西，是巨大的流体或以太旋涡带着行星围绕太阳旋转。他还进一步提出：尽管上帝为运动建立了基本定律，但新的恒星、太阳系和行星还是可以从运动着的旋涡，这一物理宇宙永恒的运动中形成。笛卡儿的机械论宇宙观对当时的欧洲思潮产生过强烈影响，并为后来18世纪的启蒙运动打下了基础。但是他又从他的“空谈”哲学里发展了关于以太和旋涡的思想　：它们纯粹是一种描述性的理论，缺乏定量证明。

丰特内尔：第一位职业科普作家

尽管曾有人为受过教育的读者写过有关科学的著作和文章，丰特内尔（Bernard le Bovier de Fontenelle，1657—1757）却是第一位非科学家，一生致力于撰写书籍和文章，向普通人解释科学。丰特内尔是律师的儿子， 出生于法国的鲁昂，他有资格从事法律工作，但他却想成为作家。他先是涉猎诗歌和戏剧写作，但成绩平平，随后对科学产生兴趣。他的第一本科普著作是介绍天文学的新发现，题目是《关于世界多样化的谈话》（ Entretiens sur la pluralité des mondes ），出版于1686年。这本书立即取得成功并在以后的许多年里不断修订和再版。作为笛卡儿哲学和科学观点的热心支持者，丰特内尔从未完全接受牛顿的观点。但是，他才识渊博且文笔优美，他的作品有助于使许多读者了解他那个时代的科学活动和理论。他不限于“大宇宙图景”，而且还写了许多领域和科学家，几乎涉猎他所接触到的每一个领域。在1696年成为法国科学院院士——一个很高的荣誉——之后，他在长达42年的时间里，与科学院合作，担任科学院的终身秘书。在这个岗位上，他完成了最伟大也最有名的著作——《历史》（ Histories ），书中总结了他那个时代所有领域的科学家的工作，以及一系列献给已逝著名科学家的颂词。丰特内尔在气质和才能上都极有天赋，是一个好奇心十足，非常快乐的人，他热爱自己的工作，而且超常发挥。他在充分享受生命之后安详地去世， 离他的一百岁生日只差一个月。

行星按椭圆轨道运行的问题吸引了17世纪最优秀学者的关注，其中包括荷兰的惠更斯（Christiaan Huygens， 1629—1695），有人认为他是17世纪后半叶，仅次于牛顿的最伟大的科学家。他第一个定量估计使一个物体做旋转运动所需的力。皇家学会三个会员——胡克、雷恩和哈雷——据此考虑行星围绕太阳旋转的情况。他们提出一个公式，可以从数学上解释围绕太阳的圆形轨道：如果太阳对行星的吸引力与距离的平方成反比，行星将以圆作为轨道。换句话说，如果火星离太阳的距离是水星的两倍，则太阳对火星的吸引力是它对水星的四分之一。如果更远的行星离太阳是四倍距离，吸引力将只有十六分之一。但是仍旧没有人能够解决椭圆的奥秘。

哈雷在22岁时成为皇家学会会员，1684年在剑桥遇到了牛顿。于是他向牛顿提出椭圆轨道的问题。早在　1665—1666年，牛顿在　18个月的长假中，在家乡农场里就已经得到了与胡克、雷恩和哈雷相同的数学公式，即“平方反比”定律。考虑到苹果和月亮都受地球吸引力的影响，他估计，这种力应该随着与地心距离的平方关系而减少。但是当要着手进行证明时，他需要知道，相比于苹果，月球离地心有多远，但他没有正确的数据，只好止步不前了。因此他从未发表这一工作。但是现在，他有了地球半径的修改数据可供依据，再加上有了更为成熟高明的数学技巧。结果就是牛顿最伟大的著作《自然哲学之数学原理》（Philoso phiae naturalis principia mathematica ），简称《原理》，诞生了，他写这本书用了18个月。

但是，这一工作成为胡克和牛顿之间另一场争论的焦点，胡克指出，他在很久以前给牛顿的一封信中提出过平方反比定律。皇家学会收回了对出版这一著作的承诺，但是哈雷插手进来，提供出版所需的钱，暂时调和了胡克和牛顿之间的争执。哈雷还亲自校对排版。1687年第一版面世，共三卷，只印了2 500本。

运动三大定律

沿着哥白尼、开普勒和伽利略的脚步，牛顿在《原理》中描述了一种用数学表达的世界观。在第一册中，他考察了支配运动的定律，根据这一基本概念总结了伽利略的许多工作。

伽利略已经认识到，力改变物体的运动，如果不受力，运动中的物体就会沿着直线一直运动下去。所以一开始，在著名的牛顿第一运动定律，也叫做惯性定律中，牛顿总结了伽利略早已说过的：静止中的物体倾向于保持静止，运动中的物体倾向于以恒定的速率沿着直线不断运动。

在第二定律中牛顿提出，作用在物体上的力越大，物体的加速度就越大。但是质量越大，反抗越是加速。

最后，牛顿在他的第三定律中提到，每一个作用力都有相等的反作用力。或者说，一个物体对另一个物体施力，则第二个物体对第一个物体施同样大小而方向相反的力。发射火箭就是牛顿第三定律生效的一个好例子。火箭对喷出气流产生一股向下的推力，依据牛顿第三定律喷出气流会产生反向力。如果喷出气流的向上推力超过了火箭的重量，火箭就从发射架升起，进入大气。

牛顿第一个区分了物体的质量与重量，这两个词至今还有许多人在日常语言中互换使用，但是它们在物理学中的意义有重要的不同。物体的质量是指它对加速的反抗，或者，换一种方式来说，物体的质量就是它的惯性的多少；而物体的重量则是它和另一物体（如地球）之间引力的多少。下述例子可以说明这两个概念有什么不同，比如，宇航员的重量（宇航员的身体与地球之间的引力大小）在太空可以忽略。但是宇航员的质量（对加速的反抗），不管他是否站在地球上，都保持不变。牛顿重视语言的精确性，以及他使用数学这一普遍的语言，是对科学发展的重要贡献。科学发展到他这一时代已经足够复杂，因此比以往更需要清晰的区分。

牛顿利用《原理》第一册中的三个定律作为基础，计算地球与月亮之间的引力。他得出结论：引力正比于两个物体的质量，反比于它们中心之距离的平方。更重要的是，他认为，这一引力定律适用于整个宇宙。他还证明，他的公式能够解释所有开普勒定律。

在《原理》的第二册，牛顿讨论了笛卡儿的观点，亦即宇宙充满流体，行星和恒星的运动受旋涡支配。对宇宙的这种解释似乎回答了许多问题，因而得到了许多支持者，特别是在欧洲大陆。但是牛顿发现，当他把定量方法运用于这一理论时，它就不再有效。他用数学方法探讨流体如何运动这一问题，从而证明旋涡的运动不能“拯救现象”。实际观察到的行星运动与旋涡理论不符。由此，笛卡儿的体系终究无效。

牛顿《原理》的第三册，也就是最后一册，立足于前两册的基础上，写得非常有趣。如果他提出的定律和结论都是正确的话，牛顿认为，他就应该能够不仅解释科学家已经观察到的事实，而且还能对尚未观察到的现象作出预测。于是，他提出了一些让人极为惊奇的预测。

例如，牛顿证明地球不同部分的引力合在一起，使它形成球体。但是，由于它沿着自己的轴旋转，这一额外的力将会影响到球体的形状，从而在赤道处有所突出。已知地球的大小、质量和旋转的速率，他就预言了突出的大小。牛顿在一生中做过许多努力以验证这一预言，但由于地图制作者计算有误差，好像他是错了。但是实际上，他的预言不仅没错，而且精确到百分之一。

另一个著名的预言中，牛顿主张彗星并不像看起来那么神秘——它们也以椭圆轨道围绕太阳运行，但是相比于其他行星，它们的轨道更为扁平，也要更长，于是，它们甚至会跑到太阳系的边缘之外。

这一观点激发了哈雷的兴趣，他在1682年曾经观察过一颗以他的名字命名的彗星，并认识到它们大约每隔75—76年出现一次的模式，他猜想这是由于同一颗彗星每隔一定时间重复出现的缘故。基于这一前提和牛顿的计算，哈雷预言哈雷彗星将会在76年后，即1758年回归。当然，他没有活着看到——牛顿也没有看到。但是哈雷彗星确实回归了，正如它一如既往的表现，最近的一次是在1986年。下一次将在2061年。

许多人认为《原理》是一部空前的最伟大的科学著作。它依据两个世纪以来物理学积累的伟大成就，运用科学革命中出现的新的定量化工具，解决了支配宇宙总体规划的巨大问题。最后，牛顿还使我们的宇宙观一举突破古希腊人那种卓越却是有限的见解，从而进入更为精致以及有用的境界。牛顿并不是所有事情都对。例如，他认为应该存在“绝对运动”，后来爱因斯坦用他的相对论证明那是错的。但是牛顿的推理极其严谨并且相当深刻。他把人类对宇宙的认识向前推进了巨大的一步。

光的本性

牛顿早期的光学实验导致他思考光的本性，这是当时另一个令人着迷的问题。惠更斯和胡克都主张，光和声音一样，都以波的形式运动，牛顿却看出其中存在的某些问题（又一次与胡克唱反调）。声音可以绕过拐角被听到，但如果没有镜子帮助，人就无法绕过拐角看东西，光一般是不能绕过拐角的，除非它被表面反射。所以牛顿同意德漠克利特的想法，认为光是以一束粒子（他称之为“微粒”）的形式从光源发射出来。这一理论并不能解释所有的事实，但是牛顿战胜了当时大多数的反对意见，从而使18世纪的科学家在没有借助于波动理论的情况下取得进展。然而，19世纪的实验科学家发现用波动理论可以更好地解释他们的结果，于是他们认为牛顿在这个问题上犯了错误。但是现在的理论认为，光具有波粒二象性——这就解释了为什么要花这么多时间才能成功地确定光的本性。

牛顿用光做实验，证明太阳光经过棱镜可以分裂成为它的各种成分，或者各种颜色。

牛顿在1704年出版了《光学》（Opticks）一书，总结了他对光的工作，之所以发表得这样晚，也许是他明智地要等到对手胡克去世。这次他用的是英文，而不是像《原理》那样用拉丁文。

牛顿：时代的英雄

哈雷曾经问牛顿，他为什么能够作出这么多发现？牛顿回答，关键在于他从不依赖灵感或运气来给他提供洞察力。他依赖的是全神贯注，对难住他的问题作不懈的思考，决不放松——利用每一个可能机会，从每一个角度进行探索——直到最终有了答案。

他解决问题的名声是如此之大，以至于他即便匿名提供答案，也能被人一眼认出。有一次一位瑞士科学家提出一系列问题公开竞猜，牛顿用了一天时间就解决了，并且匿名递交上去。兴奋的挑战者认为，只有牛顿，不会是别人：“我认得狮子的爪子。”有一次莱布尼兹设计了一个复杂的问题，专门为了难住牛顿，但是牛顿用了一个下午就把这道难题解决了。

查特勒特在18世纪把牛顿的著作译成法文，她的工作使牛顿在欧洲的影响广为传播。

牛顿常常吵架，又很小气，这确实是真的——和胡克吵架；和惠更斯吵架；和莱布尼兹吵架，为的是谁先发明了微积分（他们两人几乎同时独立完成）；和弗拉姆斯提德吵架，为了谁有权使用皇家天文学家丰富的天文观测记录。他私下里鼓励他的朋友参与争论，给他们提供“炮弹”，在一旁煽风点火，而很少自己出面进行自我辩护。牛顿的崇拜者常常不满地看到，牛顿的伟大被这些卑下的争吵所玷污，在他们看来，既然一个人已经功成名就，他就应当处处都表现得像一个超人那样。但也许正是牛顿那种自我主义，既迫使他卷入如此之多直言不讳的争论之中，又驱使他全神贯注作出如此之多的成果，以至今天的我们依然受益匪浅。无论如何，牛顿是人，不是神。仅仅这一事实就应该鼓励我们达到他那样的高度。

1689年牛顿成为国会议员，1696年成为造币厂的总监，并且制定一系列改革措施。3年后，他辞去剑桥的职务，成为造币厂总管。1703年牛顿被选为皇家学会会长，这个职务一直保留到去世。1705年，他被安妮皇后封为爵士。

牛顿爵士1727年3月20日在伦敦逝世，被当做英雄厚葬在威斯敏斯特大教堂。声名远扬的法国哲学家伏尔泰（Voltaive， 1694—1778）当时正访问英国，对此他表示极大的惊奇，这里竟以大多数国家只用来对待国王的礼仪来对待一位数学家。他把对牛顿的热情带回到了法国，在情人查特勒特（Emilie du Châtelet， 1706—1749）的帮助下，传播牛顿的著作，查特勒特曾经把牛顿的《原理》译成法文。

在　20世纪的爱因斯坦之前，没有人能够成功地解决牛顿物理学留下的许多问题。在牛顿《光学》重出的一个版本的前言里，爱因斯坦写道：

“对于他，自然界是一本打开的书，一本他读起来毫不费力的书。他用使经验材料变得井然有序的概念，仿佛就是从经验本身，从那些精致的实验中自动涌现出来的那样，他摆弄那些实验，就像摆弄玩具，并且还以无比的细致入微描述　了这些实验。他集实验家、理论家、工匠尤其是讲解能手于一身。我们眼前的他，坚强，有信心，而又孤独：创造的乐趣和细致精密体现在每一个词句和每一幅插图之中。”

毫无疑问，牛顿爵士是有史以来最伟大的科学家之一。