凡旋轉(zhuǎn)的都在掉落：衛(wèi)星朝著行星掉落，行星朝著太陽(yáng)掉落。而在牛頓之后很久，天文學(xué)家們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們?cè)谔炜罩锌吹降乃行切嵌荚谝砸环N螺旋運(yùn)動(dòng)的 形式相互掉落，就此形成了我們的星系——銀河系。
這一如此簡(jiǎn)單而深?yuàn)W的原理，將如此的優(yōu)雅與力量集于一身。萬(wàn)物落在萬(wàn)物之上，一刻不停，一切都得到了解釋。
《數(shù)學(xué)的雨傘下：理解世界的樂(lè)趣》，[法] 米卡埃爾·洛奈（Micka?l Launay）著，歐瑜譯。
在抵達(dá)位于英國(guó)鄉(xiāng)間林肯郡的伍爾索普小村時(shí)，你會(huì)感到那里若有若無(wú)的晨霧中漂浮著一種既普通又凌厲的氣息。那里零星排列著十幾幢帶有花園的中型住宅。這片地區(qū)周圍環(huán)繞著一望無(wú)際的田地，幾乎沒(méi)有受到從倫敦至愛(ài)丁堡的A1高速公路橫貫而過(guò)的干擾。遠(yuǎn)處發(fā)動(dòng)機(jī)的嗡嗡聲和鳥(niǎo)兒的歌聲交織在一起。經(jīng)過(guò)伍爾索普的車輛很少，只有本地居民會(huì)開(kāi)車去上班，以及借道科爾斯特沃斯前來(lái)伍爾索普莊園參觀的游覽車。
這些住宅的西南面是村中最古老的房屋，建于17世紀(jì)，每年吸引著成千上萬(wàn)的好奇游客前來(lái)朝拜。伍爾索普莊園不是很大。這是一幢倒F形的建筑，用略帶赭石色的灰色石塊修砌而成，高兩層，有一間閣樓，外墻上排列著二十來(lái)扇小窗。我們可以沿著水巷路經(jīng)由一條夯 土小道進(jìn)入莊園，小道的周圍是一大片修剪凌亂的草坪，草坪上長(zhǎng)著幾棵樹(shù)和英國(guó)灌木。
現(xiàn)在，莊園已經(jīng)變成了博物館，但它最吸引人的地方并不在墻壁之內(nèi)。在西側(cè)的花園里，有一棵有著淺灰色樹(shù)皮的蘋(píng)果樹(shù)，歲月的風(fēng)霜令樹(shù)干彎曲，游客們對(duì)它特別感興趣。人們來(lái)這里就是為了它。游人面帶燦爛的微笑紛紛與它合影，并在當(dāng)晚把照片發(fā)給朋友：“猜猜我今天看到什么了？”這棵樹(shù)在伍爾索普的地位就像蒙娜麗莎在盧浮宮的地位。人們將信將疑地看著它，幾乎不敢相信它是真的，對(duì)著這棵老樹(shù)不禁涌起滿腔的欽佩之情。人們語(yǔ)帶調(diào)侃地不斷傳頌著這棵蘋(píng)果樹(shù)的傳奇故事，它在三百多年前催生出了科學(xué)史上最奇妙的想法之一。
1642年的圣誕之夜，艾薩克·牛頓出生在伍爾索普莊園。有一天，他在花園里喝茶沉思的時(shí)候，一個(gè)蘋(píng)果掉了下來(lái)。
為什么東西會(huì)掉落？這個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題所涉極廣。世界上沒(méi)有任何現(xiàn)象比引力更具有深度。這是一件我們?nèi)绱耸煜で宜究找?jiàn)慣的事情，實(shí)在令人難以相信它竟然會(huì)那么復(fù)雜。
從生命的頭幾年開(kāi)始，所有人就已經(jīng)學(xué)會(huì)了玩引力的游戲，把它的原理借為己用。年幼的孩子會(huì)積累經(jīng)驗(yàn)、扔?xùn)|西，甚至很早就掌握了識(shí)別一切掉落物體的驚人能力。用能夠漂浮或上升的物件，比如氦氣球，給只有幾個(gè)月大的嬰兒變戲法，你將發(fā)現(xiàn)他們會(huì)瞪大雙眼，顯 然，他們意識(shí)到發(fā)生了非同尋常的事情。
引力送上第一個(gè)大驚喜，是在我們小時(shí)候得知地球是圓的那一天。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓人目眩，因?yàn)樗嵏擦宋覀兊拇竽X對(duì)上方和下方的描繪。如果地球是圓的，那為什么地球另一端的人們不會(huì)掉進(jìn)星際真空里呢？為了解開(kāi)這個(gè)矛盾之謎，引力第一次迫使我們改變了自己的觀點(diǎn)。下方，指的不是宇宙中的一個(gè)固定方位，而是我們星球的中心點(diǎn)（圖2.10）。生活在地球另一端的人的頭腳方向與我們不同，但是和我們一 樣，他們也是頭在“上方”，腳在“下方”！
這種解釋令人滿意，我們可能會(huì)就此止步。但在科學(xué)上，一個(gè)答案會(huì)帶來(lái)十個(gè)新的問(wèn)題——游戲從未真正結(jié)束，一貫如此。那么好吧， 我們知道地球的下方在地心，但怎么會(huì)在地心呢？
比如，我們會(huì)很自然想要知道，究竟是下方構(gòu)成了地球，還是地球構(gòu)成了下方。換句話說(shuō)，地球在這里形成是因?yàn)橄路皆谒熬驮谀抢锪藛?？還是因?yàn)橛辛说厍蚝?，才使得下方?lái)到了它的中心呢？讓我們做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。如果有可能借助巨型火箭的牽引力讓地球在太空中移動(dòng)，那么下方是會(huì)保持靜止不動(dòng)、懸浮在真空里，還是會(huì)跟隨地球移動(dòng)呢？而處于地球表面的人類是會(huì)掉進(jìn)星際真空中，還是保持在地面上不動(dòng)呢（圖2.11）？
直到17世紀(jì)，這個(gè)問(wèn)題仍不斷引起科學(xué)界的種種爭(zhēng)議。1609年，天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒出版了一部具有開(kāi)創(chuàng)性的著作——《新天文學(xué)》（Astronomia Nova），他在書(shū)中明確表示支持第二種假設(shè)。在他看來(lái)，是地球產(chǎn)生了引力，是地球通過(guò)構(gòu)成它的物質(zhì)把我們吸引向它 的中心。
開(kāi)普勒甚至認(rèn)為，這種吸引事物的能力并非只有地球才有。在他看來(lái)，這是物質(zhì)的一種普遍特性。因此，他寫(xiě)道，如果可以消除地球的引力，海洋就會(huì)升入星空，直到它們?cè)谠虑虻能|體上流淌（圖2.12）。他還聲稱，這種吸引能力并非為行星或其他天體所獨(dú)有的，而如果兩個(gè)小物體被送到宇宙的廣袤空間中，遠(yuǎn)離大天體的引力影響，那么它們就會(huì)慢慢地掉落在彼此之上。
你在21世紀(jì)閱讀這本書(shū)的時(shí)候，或許已經(jīng)知道歷史證明了開(kāi)普勒是對(duì)的。是的，地球的引力確實(shí)是它自行產(chǎn)生的，就像所有的物體自行產(chǎn)生引力一樣。但不要忘記，在17世紀(jì)，這一切不過(guò)是猜想。了不起的猜想，畢竟還是猜想。想要讓一種論斷具有科學(xué)性，就必須能夠用準(zhǔn)確和可以驗(yàn)證的說(shuō)法把它表達(dá)出來(lái)，而且最好能用數(shù)學(xué)的說(shuō)法。然而，我們不可能消除地球的引力，也不可能在那個(gè)年代把兩個(gè)小物體送入星際真空。開(kāi)普勒的想法極具遠(yuǎn)見(jiàn)，但還不完善。剩下的，就是要?jiǎng)?chuàng)立一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那铱梢则?yàn)證的偉大理論來(lái)證實(shí)所有這一切。
就在那個(gè)時(shí)候，在伍爾索普的花園里，一個(gè)蘋(píng)果掉了下來(lái)。
1687年，艾薩克·牛頓出版了一部名為《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（Philosophi? Naturalis Principia Mathematica，下文簡(jiǎn)稱《原理》）的非凡之作。這本書(shū)可以說(shuō)是科學(xué)史上最具影響力的作品之一，標(biāo)志著人類理解引力和通過(guò)引力理解宇宙的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。書(shū)中介紹的引力理論因 其非凡的普遍性和數(shù)學(xué)公式化的力量而引人矚目。
蘋(píng)果掉落讓牛頓產(chǎn)生了撰寫(xiě)《原理》的偉大想法，在這個(gè)故事中有多少是真實(shí)的，有多少是杜撰的，我們并不太清楚。牛頓的這個(gè)想法部分借鑒了開(kāi)普勒的思考，但他把這些思考推到了極致，從而提出了一個(gè)絕對(duì)通用的原理，這個(gè)原理可以表述為：萬(wàn)物落在萬(wàn)物之上，一刻不停！宇宙中的任意兩個(gè)物體，無(wú)論它們是什么，身在何處，都會(huì)不斷地相互吸引，若無(wú)阻礙，兩者會(huì)具有相互掉落的趨勢(shì)。
借助這個(gè)簡(jiǎn)單的法則，牛頓解釋了各種風(fēng)馬牛不相及的現(xiàn)象，而此前人們從未想到，這些想象可以用如此簡(jiǎn)單的方式加以理解。當(dāng)然，萬(wàn)有引力解釋了為什么蘋(píng)果會(huì)掉落在地球上，因?yàn)樗艿搅说厍虻奈?。正如開(kāi)普勒所預(yù)言的那樣，萬(wàn)有引力還解釋了潮汐現(xiàn)象。海洋每天升起又落下，是因?yàn)槭艿搅嗽虑虻奈?，盡管我們衛(wèi)星的引力還不足以把地球上的水帶到月球上，但也足夠讓地球上的水升高幾米。牛頓還認(rèn)為，是引力讓行星保持致密。構(gòu)成地球的物質(zhì)之所以沒(méi)有像拋在風(fēng)中的一捧沙子那樣在空中散開(kāi)，那是因?yàn)橐ψ屗３志鄢梢惑w 的狀態(tài)。
但是，牛頓最大的成就無(wú)疑是用簡(jiǎn)單的引力定律解釋了月球和行星的運(yùn)動(dòng)。
在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)中，陸地上的現(xiàn)象和天空中的現(xiàn)象一直都被區(qū)別對(duì)待。人們認(rèn)為天空中的物理規(guī)則有所不同。人們認(rèn)為蘋(píng)果掉落的運(yùn)動(dòng)法則和行星轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)法則不一樣。證據(jù)就是，蘋(píng)果沒(méi)有在轉(zhuǎn)動(dòng)，而行星沒(méi)有在掉落！但牛頓在《原理》中提出了相反的看法，從而掀起了一場(chǎng)名副其實(shí)的革命。在他看來(lái)，所有旋轉(zhuǎn)的天體唯一的運(yùn)動(dòng)就是永不停止地掉落。
就以月球?yàn)槔?。牛頓聲稱月球受到地球的吸引并朝地球掉落。但這一推理的全部精妙之處就在于：由于地球的直徑只有約13 000千米，而月球又運(yùn)行得飛快，因此后者掉落時(shí)就總是落空！于是，月球一次又一次地朝著不斷躲開(kāi)的地面重復(fù)同樣的運(yùn)動(dòng)，從而持續(xù)掉落而速度不減。對(duì)于牛頓而言，我們所說(shuō)的軌道，不過(guò)是永遠(yuǎn)落空的掉落。
下方位于地心的事實(shí)，讓這種永恒的掉落成為可能。假設(shè)你擁有超人的力量，能夠以驚人的速度把蘋(píng)果徑直向前拋出，使之落在地平線的后面。如果“下方”的方向保持不變（圖2.13左），那么蘋(píng)果就會(huì)飛出地球，掉入無(wú)限的星際真空中。但因?yàn)橄路皆谖覀冃乔虻闹行模蕴O(píng)果掉落的“下方”就會(huì)隨著蘋(píng)果的旋轉(zhuǎn)而改變方向。因此，蘋(píng)果就會(huì)繼續(xù)朝著不斷“躲開(kāi)”的地面掉落，而這個(gè)地面處于不斷的運(yùn)動(dòng)之中。你就把蘋(píng)果送入了軌道（圖2.13右）。
另外，應(yīng)該注意的是，即使以合理的速度將蘋(píng)果拋出，它還是會(huì)旋轉(zhuǎn)。我們之所以看不到蘋(píng)果旋轉(zhuǎn)，是因?yàn)樗€沒(méi)有機(jī)會(huì)走完自己的軌道，就撞到地面了。但如果地球被壓縮為地心，從而使地面不再形成妨礙，那么拋出的蘋(píng)果就會(huì)沿著類似于太陽(yáng)系彗星的完美橢圓形軌道運(yùn)行（圖2.14）
如果可以的話，我建議你把手中的這本書(shū)暫放片刻，花點(diǎn)兒時(shí)間去充分體會(huì)一下這個(gè)令人眩暈的觀點(diǎn)。月球像蘋(píng)果一樣掉落，蘋(píng)果像月球一樣旋轉(zhuǎn)。你意識(shí)到了嗎？月球像蘋(píng)果一樣掉落，蘋(píng)果像月球一樣旋轉(zhuǎn)！明白這一點(diǎn)太讓人高興了！多么令人激動(dòng)，多么令人陶醉?。?/span>
世界以這種方式運(yùn)轉(zhuǎn)簡(jiǎn)直是一個(gè)奇跡。我們了解到，這確實(shí)是個(gè)奇跡。如果說(shuō)，人類常常會(huì)把自豪感放錯(cuò)了地方，那么，身為一個(gè)能達(dá)到理解世界的水平的物種，我想，為此感到自豪是合情合理的。智人們，昂首挺胸吧，我們理解了引力！
當(dāng)然了，這一定律適用于天空中所有的天體。凡旋轉(zhuǎn)的都在掉落：衛(wèi)星朝著行星掉落，行星朝著太陽(yáng)掉落。而在牛頓之后很久，天文學(xué)家們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們?cè)谔炜罩锌吹降乃行切嵌荚谝砸环N螺旋運(yùn)動(dòng)的 形式相互掉落，就此形成了我們的星系——銀河系。
這一如此簡(jiǎn)單而深?yuàn)W的原理，將如此的優(yōu)雅與力量集于一身。萬(wàn)物落在萬(wàn)物之上，一刻不停，一切都得到了解釋。
聯(lián)系客服
