走进牛顿

文/  杨天林

谨以此文献给所有热爱牛顿的人们。因为苹果落地这样司空见惯的现象在他的眼睛里充满了魅力，在这背后隐藏着深刻的玄机；因为牛顿的经典物理学定律仍然支配着、并将始终支配着这个宏观世界，而我们就是这宏观世界中的一粒尘埃。

中世纪最负盛名的科学家罗杰·培根（1220-1292年）研究过光与虹的现象，还探索过制造火药的过程，他由于探索物体的本质和属性而被指控为从事妖术，受到了不公正待遇。

到了牛顿的时代，欧洲的人文环境和科学氛围要好的多。牛顿是现代科学的一位大家，这一方面，我们只要举一个例子即可知晓。早期的实验科学家们常被说成是魔鬼的同伙，而牛顿则被置于上帝的座右。

一

1643年1月4日（格里高利历）清晨，艾萨克·牛顿诞生在英格兰林肯郡格兰瑟姆镇科尔斯特沃斯村附近的乌尔索普庄园一个普通的农家。他的父亲是大字不识一个的农民，再往上溯，其祖先的地位都很低微。这样的家庭背景也许正好是牛顿成才的动力。

牛顿很早就打下了扎实的拉丁文基础，不满26岁时，已经成为剑桥大学三一学院的研究员，几乎在这同时，他发明了二项式定理，为创立微积分做了很好的铺垫。奇怪的是，牛顿在19岁进入剑桥大学三一学院学习时，在数学上几乎没有得到正规和系统的教育。这只能证明牛顿非常聪明和特别善于自学。

牛顿是一个理论科学家，更是一个实验科学家。他很早就提出，一切颜色都是白色的组成部分，他用一个双凹透镜把整个光谱上的各种光线聚在一个共同的焦点上，这时各种颜色都消失而产生白光。

牛顿用这个干净利落的实验，将颜色的质的差别简化为量的差别。他说：“同一种颜色永远属于同一强度的折射。”于是，牛顿就有可能用一个表明折射强度的数字表示任何一种颜色。牛顿通过棱镜实验，发现了光的色散现象，得出了白光是由色光组成的结论。他还仔细研究分析了光的反射和折射定律，写出了《光学》一书，系统阐述了光的现象和本质，提出了光的微粒说，为光谱学的诞生奠定了基础。

早在大学求学时，牛顿已开始设想如何使一切物体的运动规律定量化的方法。在《论物体循轨道运行》的论文中，牛顿已经找到了他的宏伟理论的关键，证明椭圆形轨道可以用焦点和力的平方反比例来解释，后来他在修改《论运动》时，详细阐述了他的第一和第二定律：即惯性定律和运动改变的速率与施加的力成正比。

牛顿建立了二项式定律、无限级数方法和微积分。这使年仅24岁的他很快成为当时欧洲最出色的数学家，27岁时，牛顿获得了剑桥大学炙手可热的卢卡斯数学讲座教授的席位。在剑桥大学，这是一个最重要的殊荣。他后来的许多重大发现都得益于他的数学才能和成就。

牛顿在总结前人的基础上构建了力学三大定律，即惯性定律、力和加速度定律、作用与反作用定律，创立了经典力学的完整体系，因此，被誉为现代物理学之父。

二

牛顿最杰出的贡献是在经典力学框架的基础上提出了万有引力定律。

牛顿与别人的不同在于，他把伽利略地上的物体运动规律与开普勒天上的星球运动规律联系起来，经过长期反复思考，由重力概念引出引力概念。就是在这样的背景下，苹果落地现象引发了这位天才科学家头脑中闪现出思想的火花。牛顿认为，重力不应只局限在地球上的一定距离，而一定能延伸到比一般认为的要远得多的地方，也许可以延伸到月球上。

果真如此，那一定会影响月球的运动，也许会将它保持在一定的轨道上。于是，他开始计算这种设想可能得到的结果，最终提出了万有引力学说。

从古希腊的自然哲学家开始，就认为正圆形和正球形是最美的形状，因此，长久以来，地球被认为是正球体。牛顿根据万有引力理论指出，地球不是正球体，而是一个赤道鼓起、两极扁平的桔子形球体。他还进一步推论，在地球不同地方，受到的重力不是一个定值，它随纬度不同而变化。牛顿说，“维持行星绕其轨道运转的力一定与其旋转中心距离的平方成反比。”牛顿的推论后来一一被实验所证实。

把地上物体的运动和太阳系内行星的运动统一在相同的理论体系中，从而完成了人类科学史上第一次自然科学的大综合，这是人类文明和科技进步的一个里程碑。

在古代人看来，彗星是极其神秘的星体。牛顿认为，彗星的运动也受万有引力的制约。英国天文学家哈恩用这一定律研究了1531年、1607年和1682年出现的3颗彗星，推断可能是同一颗彗星，并计算出它扁长的椭圆轨道和运行周期为76年，断定它将于1758年再度回归。1758年，这颗彗星果然在预测的时间出现了，结果引起了极大的轰动，成为当时科学界的一件大事。

太阳系第8大行星海王星和第9大行星冥王星的发现，也是运用万有引力定律计算和预测的结果。

也难怪在牛顿的墓志铭中,有一句话: “他以超乎常人的智慧，第一个证明了行星的运动与形状，彗星的轨道与海洋的潮汐。”

三

牛顿理论中至上的统一力量是数学，正是数学帮助牛顿打开了通向黑暗世界的大门。牛顿的数学方法是一种发现的方法，也是一种谦卑的方法。那既是一种探索的手段，也具有一种自律自制的性质。

牛顿最伟大的著作是《自然哲学的数学原理》，在这一影响广泛的书中，牛顿排斥一切广为流传的主张，以展示自然的机制。牛顿理论的核心在于普遍性，他将地球和天体放在同一个层次上，提出了地球动力学和天体动力学普适的方案。为人类重新理解宇宙拓宽了视野。

“万有引力”的伟大思想是观察和沉思自然的必然结果。从这个角度说，牛顿和苹果的故事不是毫无根据的。但一个苹果偶然落地就引发了牛顿关于“万有引力”的思想是有点太玄。在把地球上和天空中的一切物理现象根据数学方法表达的定律的共性统一起来方面，牛顿是那个时代的最杰出者。

在自然科学史上，一些最抽象的理论，一些常常将常人的常识陷入困境的理论，往往是前景最灿烂的理论。在本质上，这既证实了物质世界的复杂性，又证实了人类智力和理解能力的有限性，这或许还可以说明牛顿何以始终对圣经和预言深感兴趣。

四

牛顿常常喜欢说的一句话是：“我不知道我在世界上以什么面貌出现，但我认为自己似乎仅仅像个孩子，在海滩上玩耍，为偶然找到一块比一般光洁的石子或比一般美丽的贝壳而高兴，但是真理的海洋把一切展现在我面前，我却毫无发现。”

这个广泛流行的一句话让我们看到的是一个十分谦虚的牛顿，把牛顿性格中的两重性彻底淹没了，生活中的牛顿并不如此。

三十岁以前，牛顿还是一个没有多少名声的小人物，到1672年，他的流数学说已经形成，但由于得不到资助而无法出版。从那之后，牛顿的地位步步跃升，随着声望的提高，牛顿越来越不能接受别人的意见，甚至不愿意承认别人的发明或与别人分享他的发明。

最惹人注目的一个例子是牛顿和莱布尼茨两人争夺微积分发明荣誉的事。当时的科学家中没有几个人懂微积分。

今天我们都知道，微积分是计算速度和变化率的重要的新方法，它可以成倍地扩大科学仪器和测量工具的用途。

即使毋需微积分的专门知识，也能懂得优先权这个问题的重要性，但牛顿利用自己在学术上的权威来压制莱布尼茨，使莱布尼茨的努力付诸东流，只是在身后才赢得了客观的承认。

五

晚年时期的牛顿专心致志地寻求《圣经》所述历史的真实性，他从天文学和神学入手，在他去世时留下了几千页有关神学和年代学的手稿。

牛顿认为，上帝是一个永恒的、无限的、绝对完美的世界主宰者，他全智全能，无所不知，无所不在，无时不在，至高无上，至善至美。晚年的牛顿致力于宗教的研究，同样达到痴迷的程度。他为自己能以一个科学家的身份为上帝效劳而感到兴奋和荣耀。牛顿说， “他从宇宙中看到的一切秩序和规律都是从上帝那里得到的。”在这种思想的指导下，必然会产生“上帝的第一次推动。”

由于越来越笃信宗教，牛顿的唯一目的是证实《圣经》的记述是否准确。但牛顿研究人类历史所用的原始资料是不可靠的。

例如，他竟选取了传说中的阿耳戈船英雄们的航海故事作为他的纪年史的基本事实，这位伟大科学家把他的世界纪年史的整个宏大结构建立在神话中由伊阿宋率领众英雄前往科尔基斯寻取金羊毛的背景上。牛顿认为，“阿耳戈号”船的航海故事在古时候是作为一件历史事实来记述的。而神话中的这一记载在考古学上是站不住脚的。

牛顿熟知古代天文学，敬仰希腊天文学家喜帕恰斯，而喜帕恰斯在公元前130年就算出了春秋两分点的岁差的。

六

300多年来，牛顿的影响无处不在，只要读过中学的人，没有不知道牛顿这个名字的。

一位诗人曾写到，“茫茫苍海夜，万物匿其行。天公降牛顿，处处皆光明。”用这首诗来形容牛顿这个人和他一生的光辉成就是非常恰当的。因为他一人就奠定了四门学科的基础。

在数学上，他发明了微积分；在天文学上，他发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在物理学中，他总结了三大运动定律，创造了完整的新物理学体系；在光学领域，他发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。

任何一位科学家，只要拥有上述四个领域成就中的任何一个就足以名垂青史，而牛顿却包揽了上述全部四个领域的伟大的科学创造。因此，牛顿自然而然地成为科学史上的一代大家。

1727年3月20日凌晨，牛顿在睡梦中告别人世，终年85岁。他被安葬在威斯特敏斯特教堂，只有英雄和大师级的人物才能享受这一殊荣。法国著名哲学家伏尔泰当时正在英国访问，他目睹了牛顿的葬礼，十分感叹场面的盛大和隆重。

“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人的肩上。”从牛顿的这句名言中，我们不难窥见其思想的深邃和境界的博大。这是牛顿人生的一个重要侧面。