绝世天才艾萨克·牛顿

各位同学大家好，我是李永乐老师。

本期是《从亚里士多德到牛顿的宇宙》的最后一期，我们要谈是牛顿如何发现万有引力、又如何解释世界的。

为了谈牛顿的贡献，我们还得把时间轴再往回调一点，比伽利略稍微早一些。

丹麦的天文学家第谷进行了长期的天文观测，并且他把行星的位置汇集到一块，写成了《鲁道夫天文表》。第谷的助手、德国天文学家开普勒在第谷去世之后，长时间地整理第谷的手稿，就找到了行星运动的三大定律。

开普勒第一个发现，行星围绕太阳的运动不是圆，而是椭圆，这样修正哥白尼的《日心说》之后，理论就和实际符合的很好了。可是紧跟着，开普勒也面临一个更加深刻的物理问题，为什么天体的运动是椭圆呢？

开普勒最初的想法是，太阳和行星就好像两块磁铁，有时候它们相互吸引，有时候它们相互排斥，所以距离就一会儿近一会儿远，形成了椭圆轨道。

当然，这只是定性的说法，没有落到数学计算上，真正从理论上解释清楚这个问题的人是牛顿。

英国伟大诗人亚历山大·蒲柏说，“大自然和大自然的法则隐藏在黑夜里；上帝说：让牛顿来吧！一切都亮了。”

在1642年牛顿出生于英国的林肯郡，他还没有出生的时候爸爸就去世了，妈妈可能是过度悲痛，所以牛顿就早产。牛顿刚出生的时候非常弱小，妈妈说，牛顿刚出生的时候简直就能装在一个杯子里。后来牛顿的继父也死了，母亲希望牛顿成为一名农夫在床头尽孝，牛顿答应了妈妈的请求就从中学退学了。好在牛顿所在国王中学的校长说服了牛顿的母亲才让牛顿得以重回校园。

在1661年牛顿18岁的时候，他拿到完美的中学毕业报告升到剑桥大学三一学院。

到了1666年，牛顿22岁的时候由于英国流行瘟疫，数十万人死亡，工厂停工，学校停课，牛顿回到了乡下林肯郡躲避瘟疫。

在这段时间里，牛顿做了著名的光的色散实验，他用一个三棱镜将阳光分成七种颜色，开始了人类对光的研究。也是在那段时间，牛顿提出了“流数法”就是我们所说的微积分。

传说牛顿还坐在苹果树下被落下的苹果砸了，所以就发现了万有引力定律。说到万有引力就不得不说一说牛顿的死对头罗伯特·胡克。

胡克是牛顿的前辈，他是英国皇家学会实验室的主管，以心灵手巧著称。他自己制造显微镜并观察到了软木塞上的一个个小格子，他把这些小格子叫做细胞。胡克还制造了折射式望远镜，还研究了弹簧弹力和伸长量之间的关系——胡克定律。胡克还是一位著名的建筑师，还是当时英国和世界上首屈一指的科学家。

1667年，牛顿重返剑桥大学三一学院当研究生。1669年，27岁的牛顿成为卢卡斯数学教授开始在剑桥教授光学课程。牛顿发现，经过折射后光会发生色散，折射式望远镜成像后会有缺陷。

1671年，牛顿制作了一台反射望远镜，并且拿到皇家学会展示。这台望远镜体积小巧，性能却超过一往的折射式望远镜，牛顿的这台望远镜直接去入侵了胡克的两个领域光学和仪器制作。

胡克越来越觉得这个年轻人要抢走自己的风头，心里不太高兴，宣称自己早就做出了这样的望远镜。当然，胡克并没有给大家拿出来展示。

到了1672年，牛顿被选为英国皇家学会会员，作为见面礼牛顿给皇家学会寄去了一篇论文，他认为光是一种微粒，这和胡克认为光是波的观点截然相反，更加遭到胡克的讽刺。牛顿一怒之下闭门不出，不参加皇家学会的任何活动，甚至一度想退出皇家学会，后来皇家学会允许牛顿不交会费牛顿才勉强留下来。

尽管如此，从1674年——1679年牛顿和胡克还没有完全决裂，两人都一直通信，信中两人表面上都彬彬有礼，实际上信中都暗藏讥讽。牛顿在一封信里谈到，如果发射一枚炮弹，它的速度足够快，它就能围绕地球做圆轨道运动而不落回到地面上，这个速度我们现在叫它第一宇宙速度。可是如果炮弹没有达到第一宇宙速度，炮弹就会落到地面上，牛顿认为物体会经过一个螺旋线朝着地心运动。

这时胡克及时指出了牛顿的错误，他告诉牛顿，炮弹的运动规律会跟一个天体一样的，是一个椭圆而不是螺旋线。牛顿还曾经以为地球给物体的万有引力就是物体的重力，而重力的大小是不会发生变化的，此时胡克又提醒牛顿重力其实跟天体之间的万有引力是一样的，二者之间的作用力与距离的平方成反比。

从这两个例子可以看出，当时的科学界已经普遍地存在了朦胧的万有引力的观点，最初也不一定是牛顿提出的。由于胡克这个人天生喜欢嫉妒，看到牛顿这个优秀青年就打心里讨厌，于是就借着牛顿这两个错误四处宣扬牛顿是如此的弱智，结果就彻底激怒了牛顿。

于是牛顿在一封写给胡克的信中就写了一段著名的话，“如果说我看的远，那是我站在了巨人的肩膀上”，借以嘲笑胡克个子矮小还有一些驼背。无论如何，牛顿到这个时候已经37岁了，依然还没有得出完整的万有引力定律，所以说牛顿在22岁时被苹果砸了就得出了万有引力定律是经不住推敲的。直到1684年，在一个咖啡馆里发生的事才让牛顿最终发现了万有引力定律。

1684年，皇家学会实验室主任胡克，格林威治天文台台长哈雷以及科学家雷恩三个人在一起喝咖啡，有人提出，为什么天体运行是椭圆呢？

胡克说了，因为天体之间有引力，而引力与天体之间距离平方成反比的，又有人问，那为什么有引力就有椭圆运动呢？

胡克又说了，这个问题我早就算过了，可是我不能轻易说出答案来，否则你们会觉得这个研究成果太简单了。雷恩说，我出一本书价值40先令，谁在两个月里拿出平方反比定律到椭圆轨道的证明这本书就归谁了。

两月很快就过去了，胡克没有拿出证明。哈雷是一个很认真严谨的人，他当时因为这件事压在心里很不舒服，于是就去找了当时世界上最一流的数学家牛顿。顺便一说，历史上有许多伟大的物理学家，要说最厉害的还是牛顿和爱因施坦。世界上也有许多伟大的数学家，世界公认的前三名的数学家是高斯、牛顿和阿基米德。

1684年8月牛顿42岁，哈雷敲响了牛顿的大门，当时牛顿生活近乎一个隐士，几乎不跟外界接触，因为他痛恨由胡克控制的英国皇家学会，正是这次访谈才把这位神人又拉回到历史当中。

哈雷问牛顿，你能否从平方反比定律推导出行星的运动是椭圆呢？

牛顿说，我是算过的，的确如此。哈雷要看牛顿的手稿，牛顿说一时找到了，哈雷心想，你不会跟胡克一个套路吧？

牛顿紧跟着说，你不要着急，我再写一份给你。没过几天，牛顿果然寄给了哈雷一份手稿，一共有9页纸，我们现在叫它论运动。在这9页纸中，牛顿提出了后来的巨著《自然哲学的数学原理》的主体思想，牛顿三大定律和万有引力定律。

牛顿说，物体之间存在引力，引力大小与物体间的质量乘积成正比与距离的平方成反比（F=Gm¹m²/r²）；物体的加速度与所受的合外力成正比与它的惯性成反比（F=ma）；牛顿还说，物体在做圆周运动的时候，受到的外力与运动速度的平方成正比与转动的半径成反比(F=mv²/r)，并且牛顿以此为依据从数学上详细的计算了行星运动的轨道，与天文学的观测完全一致。哈雷拿到手稿后非常震惊，他鼓励牛顿一定要把这些内容写成书来发表。

在1687年牛顿终于写成了《自然哲学的数学原理》，但是这本书的出版却不是一帆风顺的，哈雷找到皇家学会说是要出版牛顿的著作。但是皇家学会说，因为上一本出版了《鱼类的历史》卖得不好没有收回成本，所以现在学会没有钱了。哈雷就把自己的工资拿出来自费出版牛顿的书，并且还亲自负责制版和校对。每到发工资的时候，别人都拿走了工资，而哈雷只能拿走一堆《鱼类的历史》。

《原理》终于出版了，它是科学史上无与伦比的重要巨著。人们惊讶的发现，地上的苹果和天上的行星竟然满足同样的物理规律，这再一次说明亚里士多德关于天地严格不同的观点是不正确的。

人类仿佛已经窥探到了上帝创造世界的奥秘。

伴随着《原理》一书的出版，牛顿获得了巨大的声誉，同时也彻底激怒了胡克。胡克多次在公开场合指责牛顿没有良心，还说牛顿帮了我大忙，我多年研究的成果万有引力定律被他拿去印刷发表了。牛顿的性格比胡克还有执拗孤僻，听到胡克这么说，立刻暴跳如雷，在《原理》一书中彻底删去了关于胡克的所有的论述。

胡克晚年一直生活在牛顿的阴影之下，变得越来越抑郁和多疑。1703年，饱受病痛折磨的胡克终于被牛顿气死了，牛顿也终于成为英国皇家学会的会长。上任直后，牛顿立刻出版了自己的第二本著作《光学》，同时把胡克打压的“微粒说”大讲特讲一遍，紧跟着牛顿对皇家学会进行了搬迁，搬迁过程中不慎遗弃了胡克所制作的许多仪器，一起遗弃的还有胡克所有的画像，现在没有人知道胡克长什么样子，我们看到的画像都是后人根据想象绘制的。

万有引力是对的吗？这需要实验去检验。

在牛顿时代，人们已经能够去测量地球和月球之间的距离，它大约是38万公里，是地球半径的60倍。按着万有引力定律是平方反比定律来推算，月球的加速度是地球上物体重力加速度的1/3600。我们知道，地面上物体的重力加速度g是9.8米/秒²，人们计算出月球的重力加速度是g/3600（米/秒²），这个结论与天体观测的结果分毫不差，这个检验牛顿定律的著名方法就称为地月检验。

天文学家哈雷根据牛顿理论计算许多彗星的轨道，1705年哈雷发现，在1682年、1607年、1531年时，人们观测到的彗星轨道似乎是同一条。于是哈雷预言这是同一颗彗星，它的回归周期就是76年，它在1758年的时候将再一次回到太阳系附近。

1642年哈雷去世了，16年后，一颗彗星果然风尘仆仆地赶到了太阳系，人们就将它命名为哈雷彗星。哈雷慧星是一颗周期非常短的彗星，也是人们在一生中可以两次观测到的彗星。上一次哈雷彗星的回归是1986年，下一次是2061年，今天大家努力活着就能看到哈雷彗星的回归了。如果未来科技发达了，也许我们还能再看一次。

除此之外，万有引力还有一个精彩的成就，那就是海王星的发现。

在1781年天文学家就发现天王星的轨道与万有引力的计算似乎存在一定的差别，这是为什么呢？

天文学家设想在天王星的外侧还有一颗星，因为这颗星对天王星的引力造成天王星轨道的变化。

1846年，法国的一个天文学家勒维烈，他计算出了这颗外围星球的准确位置，然后他把结果寄给德国天文台的伽勒，他在信中说，今天晚上你把望远镜对准宝瓶座黄道的位置，你就能看到一颗8等星。

结果呢？

伽勒不到半个小时就发现这颗星，这就是海王星。由于海王星是先计算出轨道再观测到的，所以就被称为笔尖下发现的行星。经过地月检验，哈雷彗星和海王星的发现，万有引力定律一次一次展现它无与伦比的精确。至此，人们终于发现牛顿的万有引力果然是正确的，我们的宇宙似乎就是由于物体之间的万有引力组合起来的。

恩格斯说：“牛顿由于发现了万有引力定律而创立了天文学，由于进行光的色散而创立了科学的光学；由于创立了二项式定理和微积分而创立了科学的数学；由于认识了力学的本性而创立了科学的力学。”

牛顿让人类摆脱了中世纪的愚昧，告诉人类自然界的规律是可以被认识的，他给了人类从未有过的自信，曾经匍匐在上帝脚下的人类终于抬起头用理性的眼光打量着世界。

牛顿的出现，标志着现代科学的真正诞生。牛顿去世时，伦敦成千上万的居民自发为他送行，两位公爵，三位伯爵和一位大法官给他抬棺。牛顿被安葬在西敏寺，这里曾经只是英国王族的安葬地，牛顿是第一个安葬在此的科学家。

此后进化论的提出者达尔文，发现电子的汤姆逊，研究原子结构的卢瑟福，以及著名的史蒂夫·霍金也同样安葬在此；人们来到西敏寺不光是参观皇家的陵寝，更是为了瞻仰那些为国家乃至为全人类做出贡献的科学家们。

牛顿是伟大的，他是整个人类历史中科学的象征，可是牛顿并不如同于中世纪的“亚里士多德”一般，神圣而不可挑战，因为科学的精神已被重新点燃。沿着伽利略和牛顿的道路，人们陆续发现了一些牛顿定律无法解释的新现象，这也促使爱因施坦提出狭义和广义相对论。

• 现在我们已经知道了牛顿定律只在宏观、低速和弱引力场的时候才能够成立；
• 我们知道了时间和空间是统一的四维时空的不同投影；
• 我们还知道了宇宙中的物质会造成时空的弯曲；
• 我们知道宇宙从第一次大爆炸开始，宇宙在膨胀；
• 还知道宇宙里面有黑洞、有反物质和暗物质；我们知道自己生活在围绕太阳旋转的一颗行星上，太阳也只不是是一颗围绕银河系中心旋转的上千颗亿恒星之一，而在可观测的宇宙中至少有20000亿个像银河系这样的星系；
• 我们知道了地球、人类不过是宇宙中一颗渺小的尘埃，可是，人类又是伟大的，因为人类学会了观察与思考。

现在，我们比历史上任何时代的智者更加了解宇宙的真相，未来一定还有许多的科学问题等待人类去探索。我们希望后人发展我们的理论，正如伽利略对亚里斯多德，爱因斯坦对牛顿一般，我们不希望后人把我们的观点刻在石碑上顶礼膜拜，而是希望他们能继承科学的态度，理性的思考，实事求是的精神和对真理的热爱。

正如牛顿在回忆中写到的：

我不知道这个世界会如何看待我

但对我自己而言

我仅仅是一个在海边嬉戏的顽童

为时而发现一颗光滑的石子

或一片可爱的贝壳而欢喜

而我面前依然是未经探索的真理的海洋