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万有引力可以质疑

已有 4457 次阅读 2013-5-17 09:57 |个人分类:大自然探索|系统分类:科研笔记| 万有引力, 质疑, 优先权

——刘全稳

对牛顿发现“万有引力”的质疑声其实一直都是存在的。这些质疑可以归为五类:一类是引力发现的优先权问题,认为是胡克首先发现了引力问题;二类是不接受万有引力的定义,认为不是任何两个带质量的物体都有万有引力的存在;三类是日蚀观测发现了重力变小、深井观测发现了重力变大的严重违背引力定义的现象;四类是美国航空航天局星际探索航天器的轨道运行出现了与万有引力相左的现象问题。不过这四类质疑都围绕一个共同的目标——“万有引力”是牛顿发明的;本文作者的质疑属于第五类——万有引力不是力且是后人强加给牛顿的。

俗话说“三人成虎”“众口铄金”。一个谣言被传次数多了也许就成了至理名言,何况一个被无数次写进各种语言的教科书被无数次传授给各种人群已三百多年的万有引力?

今天只谈第一类质疑——关于引力发明的优先权之争

几乎是从1684年牛顿发表《论轨道上物体的运动》涉及引力认识以来,这种质疑就一直存在。质疑者声称牛顿剽窃了他人的成果。最先的质疑者主要是胡克。事情的大致原委可能是这样的(一切基于资料,资料矛盾之处以个人偏好选取,不合意处请多包涵):

成立于1660年的英国皇家学会(Royal Society),是一个独立、自治的得到英国资助科学发展的组织。其成员的吸纳无需经过政府批准,由一批顶尖的科学家、工程师及科技人才组成。在英国享有崇高的地位。代表了英国科学界。

1661年,基于前人的认识发展,英国皇家学会成立了一个专委会致力于研究重力问题。以图搞清地球重力在科学界的地位与作用。

1663年荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huygens)被聘为英国皇家学会第一个外国会员,1672年,惠更斯发表了离心力定律。

1666年胡克在皇家学会做过一次实验报告,指出了重力与磁力和电力相似,并且提出了重力必随离地球中心的距离而减少。后来,他又指出行星运动轨道的曲线必是由某种恒力所引起,并认为行星对太阳的倾向力可从旋转中心具有某种吸引性质来解释。

1679年,在惠更斯离心力定律激发下,胡克(Robert Hooke)、雷恩(Christopher Wren)、哈雷(Edmund Halley)几乎同时发现了引力的距离平方反比关系,但他们都无法证明这一点。于是,哈雷就此问题请教于年轻的牛顿,没想到牛顿表示他早在1666年在乡下躲避鼠疫期间就思考过这个问题并完成了推导,只是手稿一时找不到了,愿意专门为此再推导一次。很快,当年(1679)牛顿就证明了引力的平方反比关系与行星椭圆轨道之间的对应关系。

1684年,牛顿发表了《论轨道上物体的运动》,文中阐明,天上与地上的物体都服从同样的运动规律,引力的存在使得行星及其卫星必定沿椭圆轨道运行。

哈雷意识到该论文的重要价值,于是建议牛顿扩充为专著发表,两年后,牛顿完成了《自然哲学之数学原理》。可奇怪的是成立了重力问题研究专委会的由英女王担保的英国皇家学会却无钱资助它的出版,哈雷只好自己掏钱帮着牛顿出版了它。

诡异的是有人从英国皇家学会的会议记录中找到了这样的记载:“1684年4月28日文生脱博士(Dr. Vincent)送来了牛顿定名为《自然哲学之数学原理(Philosophiae Naturalis Principia Mathematic)》的研究报告,其中有关于哥白尼假设的数学证明。这一假设的形式和开普勒所提出的相同,所有的天体运动是根据向太阳中心的引力的唯一假设,以距离平方成反此的定律来解释的”(参看《依萨克牛顿爵士的生平、著作和发明回忆录》第305页)。

牛顿与胡克的争论最早可能算在1673年,争论的焦点围绕光的粒子性与波动性,牛顿力主粒子性,胡克赞成波动性。1679年则转入引力的距离平方反比关系的发明之争。1687年牛顿的专著出版后,牛顿与胡克的引力争论更加激烈,这时,关于流数法的发明之争又在牛顿与莱布尼茨之间展开。莱布尼茨又加入到对引力是连上帝也搞不清楚的“隐秘的质”的质疑。

这时的牛顿日子是相当难过的,一方面要面对胡克的优先权之争,一方面要面对莱布尼茨的“微积分”发明权之争,一方面还要面对大人物们对引力的实验证明的要求。

哈雷也许充当了牛顿与胡克双方的调解人,资料显示:牛顿就平方反比定律的发明权曾于1686年6月20日给哈雷的信中写到“姑且认为我从胡克先生那里了解到平方反比率”,表明牛顿的确有些心虚。

牛顿与胡克的引力之争终结于1703年,这一年,胡克逝世,牛顿当选为英国皇家学会会长。

三百多年后,我们再来梳理引力的发现历程及胡克-牛顿之争是这样的。

1543年,哥白尼(Mikolaj Kopernik)《天体运行论》的出版发行,使日心地动说得以流传。而布鲁诺(Giordano Bruno)的勇敢捍卫、传播与发展则使日心说得以在欧洲传遍。日心说为正确认识太阳系的星体运行及引力分析打下了良好的基础,使以后的每一项讨论都建立起了公共平台。

1590年,伽利略(Galileo Galilei)在比萨斜塔上的落球试验,发现了地球重力加速度。将人们的视野从速度与质量成正比扩展至地球重力与加速度的存在。

1600年,英国皇家科学院物理学家吉尔伯特(William Gilbert)的《磁石论》出版,提出了地球是一个永磁体的观点。向人们揭示了地球磁性的本质,磁力的吸引作用无疑为人们认识宇宙打开了一扇窗户,提供了一个方向。

在哥白尼日心说的指导和吉尔伯特地球永磁体说启发下,德国天文学家开普勒(Johanns Kepler)提出了行星围绕太阳转动是因为受到了太阳的吸引力作用结果的认识,认为太阳发出的类似于磁力的流,沿着切线方向推动着行星公转,这种磁力的强度随与太阳距离的增加而减弱。这便是开普勒行星运动第三定律,提出时间大约是1619年。开普勒还曾用磁力机制解释椭圆轨道的产生,用月球与海水间的磁性吸引来解释地球的潮汐现象。

在开普勒行星运行磁性引力的启发下,1645年法国天文学家布里阿德I.Bulliadus提出了一个重要的假设:“开普勒力与离太阳的距离的平方成反比”。这时,牛顿才3岁,胡克才10岁。

可见,引力和行星运动的联系,早在牛顿与胡克成名之前就已十分明确。

胡克1655年20岁时成为玻意耳的助手,1662年起到逝世一直担任皇家学会实验管理员,1663年获得牛津大学文学学士学位并被选为皇家学会会员,1676年发布弹性定律,1677-1682年任皇家学会干事。难道聪明的胡克没有利用皇家学会的优越条件阅读到布里阿德的成果?

1666年胡克在皇家学会做的实验报告,与1679年提出的假设论述引力的存在,以及这一年分别就此问题与哈雷、雷恩、牛顿间的交流,无疑为胡克的“优先”,他人属于受启发或接受的说法增加了不少分。可是——难道胡克的这些认识不是获益于布里阿德的假设?

1679年胡克曾跟牛顿探讨过由沿切线的直线运动和向中心物体的吸引运动所组成的行星运动的复杂问题。1680年1月他还纠正了牛顿在确定地球旋转时得出落体下降的方向的偏差。1680年1月6日胡克在给牛顿的另一封信中写有:“假设吸引力是与两中心间的距离平方成反此。”这些都为胡克藐视牛顿埋下了伏笔。

牛顿中学毕业以优异成绩被推荐到剑桥大学三一学院读书,得以阅读了大量的书籍和前人论述,他的勤奋与聪慧使他有能力涉猎广泛,内容包括自然哲学、数学、光学,也使他很快就超越了他的指导老师。

但是,牛顿肯定没有读到布里阿德的假设,不然,他会在给哈雷的回信中指出距离的平方反比最早出自于法国人布里阿德而绝对不是胡克的。

我们可否这样推理:胡克知道引力与距离的平方成反比关系源自于布里阿德的“开普勒力与离太阳的距离的平方成反比”,而牛顿却不知道。当胡克了解到这种论点就要被年轻的牛顿发表时非常苦恼,自己既不想告诉牛顿而暴露源头,又不便于发表文章以炒别人的冷饭迟早遭同行笑话,于是通过调解人哈雷提出希望牛顿在著作中提一下自己,却遭牛顿拒绝,于是展开了争论,这样,胡克丢掉了皇家学会干事,也阻扰了牛顿著作的公费出版。胡克临死也没有告诉人们真相,也无脸告诉真相,因为此前胡克已经在各种公开场合与一些名人中借助布里阿德的假设获取了必要的荣耀。

胡克离世后,皇家学会成为牛顿的天下,布里阿德也可能已离世,再也没有了引力的竞争者,牛顿便成为了引力当仁不让的发明者。

随着莱布尼茨1716年的谢世,暮年的牛顿回忆起1666年的“苹果树下”的想法等情节的补充,再经其学生与追随者们的传颂,牛顿的万有引力成为了铁板钉钉。

关于引力的发明优先权之争是一个典型的“众口铄金”“三人成虎”例证。众口铄金的结果使胡克变得越来越渺小,相反地,牛顿最终被三人成虎。

 



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