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萬有引力與蘋果的故事

人類的發(fā)展史上,蘋果宛如一位天外來客。每當故事變得枯燥時,她冷不丁光顧一次,讓整個情節(jié)又更加生動有趣了。在《圣經》里,她是亞當夏娃偷吃的禁果(書中沒有名言,多數人認為是蘋果,也有人認為是葡萄等等);在童話里,她把白雪公主藥得沉睡不醒;在現(xiàn)代,她又是變身手機,成為家喻戶曉的iPhone。在牛頓那個年代,蘋果不經意地光顧了牛頓的腦袋,從而創(chuàng)造新的宇宙定律。

長久以來,人類都在思考一個問題:地球上的力和天上的力是否一樣。牛頓完成了力學三定律之后,這個問題也被提上了牛頓的思考日程。話說有天他在蘋果樹下思考,突然間,一個蘋果掉了下來,不偏不倚的砸在牛頓的腦袋上。就是這個蘋果引發(fā)了物理學史上最有名的故事,沒有之一。但這個故事卻有很多版本。

版本一:這是我的小學老師講述的。牛頓被蘋果砸中了腦袋之后,知道這是重力之故,他就類推假如蘋果樹長到了月球上,會不會還砸中了自己的腦袋呢?顯然只會落到月球上,于是,他發(fā)現(xiàn)了萬有引力。那時候自然不會對故事的邏輯性產生質疑,只是隱隱的擔心,蘋果樹長到月球上,吳剛忍得住不砍么?

版本二:牛頓確實在姐姐家的蘋果樹下思考,不過蘋果并沒有砸到牛頓的腦袋上,而是落在地上。牛頓知道這是因為重力緣故。他想繞地球的運動會不會也是同樣的力?第二天早晨,他看到他的外甥女拿個繩子拴住小球,當繩子轉動時,小球開始繞著手轉動起來。這和月亮繞地球極為相似,這樣看來,地球對月亮的作用力和蘋果落下是一種力,所以當時他稱引力為“重力”。

版本三:這也是故事最初的來源,出自法國啟蒙思想家伏爾泰之口。據說是牛頓的外甥女親口告訴他的,蘋果落地確實給了牛頓靈感,不過沒有砸在頭上,也沒有看到外甥玩什么小球玩具。

其他版本:根本就沒有什么蘋果,也沒有砸中腦袋,這只不過是善意的人們想讓“萬有引力”更生動,或者不懷善意的教會把這個蘋果安排成上帝的旨意,在人類將要解開謎團的時候,讓上帝他老人家依然保持一種神秘的調調。

人們都按照自己的目的編織精彩的故事。不管怎樣,如果這個故事是真的,我寧愿相信第三個版本,因為第一個版本里,把蘋果樹摞到上月亮沒有意義,原本就要弄清天上力與地上力的區(qū)別,現(xiàn)在又把地上力想象成天上力,純屬折騰了;第二個版本有個硬傷,牛頓怎么會不知道向心力呢?像開普勒、笛卡爾等曾那些玩轉正圓橢圓的人怎么會對向心力置之罔聞?

假設第三個版本是真實的,還原一下現(xiàn)場,看看牛頓是怎么想的。

1.蘋果落地是受到地球的“重力”。而此時牛頓早已經知道,離地球越近,重力越大,重力加速度也越大;

2.那時候,人類已經測算月亮到地球的距離大約是地球半徑的60倍。月球受到地球的力如果也是重力的話,根據開普勒第三定律,那么月球的重力加速度應該是地面上的1/3600(即1/60×60),果不其然,和實際計算相符。

這就說明了地球的“重力”對月亮都有效,同樣道理,太陽的“重力”,對地球也有效。延續(xù)幾千年的問題在這一刻有了答案,牛頓用他的大腦告訴人類:天上力和地上力的區(qū)別是——沒有區(qū)別。于是牛頓就這樣統(tǒng)一了“天上人間”,再次證明了,如果真是上帝創(chuàng)造萬物,那么他肯定不會厚此薄彼。個人覺得牛頓之所以被認為最偉大的物理學家,是因為他邁向了尋找“萬有理論”的第一步。

然而牛頓還有很多步要走,他還沒有弄清楚引力與質量之間符合怎樣的數學關系。只從開普勒第三定律大致得出引力與距離的平方成反比,而且這種比例關系只符合圓形軌道,要知道開普勒已經計算出地球繞太陽轉動的軌道是橢圓。

終于,禍亂歲兇的日子結束了,1667年牛頓回到了母校,并在第二年獲得了碩士學位。他的才華很快得到賞識,連他的老師巴羅為了提攜這位后生,決定提前辭去盧卡斯數學教授的職位,以便牛頓能盡快上崗。最終牛頓獲得該榮譽職位,而后人都為獲得此職位感到無比自豪,比如《時間簡史》的作者霍金。正是:春風得意馬蹄疾,一日看見長安花。

1671年,牛頓發(fā)明的反射式望眼鏡,引起了英國皇家學會的注意。牛頓也在此時向皇家學會遞交了第一份論文《光和顏色的論文》,其理論就是在鄉(xiāng)下避亂時關于光的色散問題。且不說他主張的什么“微粒論”(認為光是微粒性質),單說白色光由其他光組成就足以讓世人受不了了,因為當時的人們單純的認為只有白光才是最純潔的。就好比一個弱柳扶風的清純女孩,你突然告訴我她是一個心機婊,我也受不了。同樣,不能接受白姑娘是心機婊的還有時任英國皇家學會會長的羅伯特·胡克。

羅伯特·胡克(Robert Hooke,1635-1703),英國非常偉大的科學家,要不然他就坐不了皇家學會的會長。我們了解胡克基本上都是因為彈簧的彈性定律(即胡克定律),實際上,他也是一位發(fā)明創(chuàng)造家,曾發(fā)明改進顯微鏡,同時他對光也有很深的研究,堅持光的“波動說”(認為光是一種波),同時他從肥皂泡泡上的顏色認為光的顏色是由頻率不一樣造成的。但是據說胡克心胸也不是很大,為了某項發(fā)明權和惠更斯爭論了很久。

所以于公于私,胡克都不會贊成牛頓的關于光的觀點。當胡克接到牛頓的論文時,他是這樣回答的:“牛頓先生有關折射與顏色的文章我已經讀過了,他研究中優(yōu)點與體現(xiàn)的好奇心深深的打動了我,從他處理顏色現(xiàn)象問題的假設看,我還沒有看到任何一條不可推翻的論證能向我證明這個理論是鬧不可破的”,然后用“毫無意義”給這個論文打了分。

這是官方語言,換成不客氣的語言就是:“年輕人,有想法是好的,但是千萬不可為了標新而立異。鍍金的夜壺泡的茶,誰敢喝呢?”

面對領導的批評,牛頓怒不可遏地回答道:“難道我生下來就是為了討好你的么?你認為我反對你還不夠資格?那么等你能說出‘我的水平已經不能評價你的文章’的時候再說吧?!?/p>

再換成不客氣的話就是:“別賣老擺譜,秦始皇的夜壺也是盛尿的。你把你當顆蔥,誰拿你蘸醬?”

一個初出茅廬的小子居然對領導這樣說話,在同時期的中國(康熙十年),問成十個大不敬之罪是綽綽有余的了。然而罵完領導的牛頓居然還生氣了,他表示在一切塵埃落定前不會發(fā)表任何論文,也不想成為別人提問的機器。和避亂時候一樣,他把自己鎖在劍橋大學的一個小屋子里,而把靈魂留在自己的精神世界里,宛如一個隱士。直到哈雷的拜訪打破了他隱居的生活,然而這已經是12年后的事情了。

在這12年間,外面發(fā)生了很多事,比如惠更斯、胡克、哈雷(Edmond Halley,1656-1742)等人都認為天體引力與距離平方成反比,但是無法用數學方法從這個假設計算出行星的軌道(只能推導出圓形軌道,而不是橢圓),所以1679年,胡克寫信給牛頓,請求幫助。牛頓沒有回復。要不然就不會有1684年的故事了。

1684年,天文學家哈雷突然來訪,問了牛頓一個問題:

“要是引力和距離平方成反比的話,那么行星的軌道是什么樣的?”

“橢圓”牛頓回答道。

哈雷大吃一驚,問:“你怎么知道的”?

“我算過”。

哈雷便向牛頓索要手稿。

牛頓說:“太亂找不到了,我再算給你看看吧?!?/p>

于是牛頓重新計算了一遍給哈雷看。哈雷喜出望外,并用這個方法精確測算了一個彗星——哈雷彗星。

在此后的2年,牛頓用微積分(流數術),計算出引力和物體質量、距離之間的關系—萬有引力公式:

在哈雷的鼓勵下,牛頓將畢生所學均發(fā)表在《自然哲學科學原理》(以后簡稱原理)一書中,時間是1687年。

同時在《原理》一書中,牛頓還寫了關于時間、空間的思考,這也是恒久遠、永流傳的話題。牛頓認為時間就是時間,不與任何物體產生關系,換言之,不管測量不測量、有沒有人類、甚至有沒有地球,時間照樣存在,而且一成不變的走下去??墒撬自捳f:當你有兩塊表時,你就不知道時間了,改怎么解釋呢?牛頓認為那只能怪衡量時間(鐘、表)的儀器不準確了。同樣,空間也是如此,時間空間也沒有任何聯(lián)系,它們都是絕對的,所以稱為牛頓絕對時空觀。

牛頓的成功意味著亞里士多德體系最終被取代,但不代表上帝也被趕出了物理學。雖然牛頓將宇宙的“第一動力”歸于萬有引力,但是最終又回到上帝身上,有人說這是因為牛頓是一位虔誠的教徒,也有人說牛頓的性格決定的,要知道他的晚年都在煉金、為皇家掙錢和尋找上帝中度過的,精神錯亂也未可知。而我則認為這是一種必然,因為還有更深層面的東西沒有解決。

最后說說那個歪脖子蘋果樹的結局,據說這顆蘋果樹在1820年被風吹倒了,被人分成了好幾段,保存在皇家學會等地?,F(xiàn)在牛頓的母校有一個年齡不太古老的蘋果樹,據說是從牛頓家鄉(xiāng)引的種,現(xiàn)在已經成為了游人右手或者左手或者雙手比V拍照的景點。

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