人们心目中的牛顿“形象”

一、人们心目中的牛顿“形象”

斯图克莱（William Stukeley，1687—1765）在他所著的《牛顿的生平传记》一文中写道：

有一天，牛顿在花园里思考引力问题的时候，一个苹果从树上落下来。这时候，他就想，为什么苹果总是垂直落向地面呢？为什么苹果不向外侧或向上运动，而总是向着地球中心运动呢？无疑地，这是地球向下拉着它，有一个向下的拉力作用在物体上，而且这个向下的拉力总是必须指向地球中心，而不是指向地球的其他部分。所以苹果总是垂直下落，或者总是朝向地球的中心。苹果向着地球，也可看成是地球向着苹果，物体和物体之间是相互朝着对方运动的。物体之间的作用力必须正比于它们的质量。这个力，我们称之为引力。

这，就是牛顿在普通老百姓中流传很广的“苹果落地的故事”。苹果落地催生了万有引力定律，大多数人当看到苹果落地时会认为是天经地义的事，没有更深层的思考。但当牛顿看到苹果落地却想到了“为什么”，这说明牛顿的非同一般之处。这个故事的真实性还有待确定，因为牛津大学校园内有一颗牛顿苹果树，但这颗苹果树显然是后来种上的。不管这颗苹果树是否真的是牛顿苹果树，但牛顿作为伟大的科学家，还是得到了世人的称赞。

图3‐23　牛顿苹果树

牛顿在物理学上成绩斐然，他发现了牛顿三定律和万有引力定律，这四大定律中的任何一个定律都可以使当时的物理学家名垂青史。

牛顿第一定律：任何物体，在不受外力作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态，直到其他物体对它施加作用力迫使它改变这种状态为止。一方面，这一定律说明物体有保持其运动状况的性质，这一性质就是物体的惯性。其实，物体的惯性是达·芬奇（Leonardo Da Vinci，1452—1519）发现的，由伽利略实验证明，被牛顿数理概括；另一方面，“牛顿第一定律”说明力并不是维持物体运动的条件，而是改变物体运动状态的原因。牛顿第一定律是对亚里士多德流行于世一千多年的错误观点的否定和改正。对于惯性这个概念，现在不仅应用于物理学，还广泛应用于社会科学各个领域。如技术应用的惯性，这一概念可以说明英国在电力应用方面为什么晚于德国和美国，主要在于英国早在电力发明以前就建立起比较完善的蒸汽动力体系，即使有新的技术发明，由于蒸汽动力体系在其应用方面的惯性，致使英国晚于德国和美国应用电力动力。此外，惯性这个概念还应用于制度方面，例如建制化惯性。杨小明、李强在《山西大学学报（哲社版）》2009年第5期发表《1937—1949年中国地质科学的艰难发展——基于建制化分析》一文，借用惯性的概念用“建制化惯性”来说明中国地质科学在1937—1949年极其艰难情况下发展的原因。

牛顿第二定律：物体运动的加速度a的大小与其所受合力F的大小成正比，与其质量m成反比，加速度a的方向与所受合力F的方向相同。其表示式为

F＝kma

式中k是比例系数，其数值决定于力、质量和加速度的单位。在国际单位制中即米·千克·秒制中的k为1。上式成为

F＝ma

即作用于该物体上各力的合力F等于物体的质量m与在该力作用下所产生的加速度a的乘积。这里所指的物体是质点。其实，达·芬奇对抛射体进行研究时，已认识到垂直下落运动的一些特性，已经有一些加速度的概念了；而伽利略运用斜面实验来模拟自由落体实验，对加速度的理解更加深刻。可见，牛顿的科学成果是在前人基础上经过自己天才般的发挥而成的。难怪牛顿会说：

如果我能看得更远一些，那是因为我站在巨人们的肩膀上。

牛顿第三定律：它是力学中重要的基本定律之一，亦称“作用与反作用定律”。任何物体间的作用力和反作用力同时存在，同时消失，它们的大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，但分别作用在两个不同物体上。

我们相信，正是牛顿第三定律才使社会学家有了“互动”这个词吧！因为事物之间并没有“谁决定谁，谁从属于谁”，绝对的决定是不存在的。的确，从牛顿第一、二定律的内容来看，牛顿思想中有决定论的思想萌芽，难怪近代大多数学者认为牛顿是机械决定论者。决定论是在牛顿那里开始被确立的，但也是在牛顿那里开始被毁灭的，而这正是牛顿第三定律使然！所以，无论是站在决定论者角度上还是非决定论者的立场上，都是“成也牛顿，败也牛顿”！

万有引力定律：宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。对于万有引力定律，我们不得不提胡克的贡献。在1679年至1680年的牛顿和胡克的通信里，牛顿曾在落体问题上犯过严重的错误，他甚至把引力看做不随距离变化的常量，还是胡克纠正了他。我们如果把万有引力定律和胡克定律对比的话，会发现两者是多么的相似！所不同的是，万有引力定律的解释范围是宇宙的宏观领域，而胡克定律研究的是弹簧形变。

对此，历史学家们多有专著研究，在此只简单地提供一些目前学界公认的结论：

第一，牛顿决无可能于1666年，在乡下老家看见苹果落地时，就发现平方反比定律（一说在牛津大学的苹果树下）。这个故事，极像是他自己编造的一个神话。

第二，牛顿决无可能在1679年与胡克通信前就证明平方反比定律。

第三，在1684年牛顿发表《论运动》之前，并无任何证据显示牛顿把行星的曲线运动看成是一个切向运动和一个向心吸力的叠加。

第四，平方反比定律，多半就是1684年写作《论运动》时得到证明的。

第五，胡克1685年的手稿证明，他曾运用与牛顿相同的几何手法来证明行星轨迹是一个椭圆。

即使牛顿借鉴了胡克的科学思想，他本人的伟大科学成就也是无法抹杀的。对此，我们可以用语言学中的隐喻手法来说明。什么是隐喻？科学哲学界多年来倾向于借用比喻手法来说明科学的内容，这就是科学隐喻，它可生动活泼地说明比较难懂且难说明的内容。科学界大量存在一领域中的科学研究格式为另一领域所借鉴的事例，例如心理学中的格式塔理论就为库恩所借鉴，从而形成科学范式理论。牛顿借鉴胡克的理论这又有何不可呢？只是牛顿对于胡克过于刻薄，没有尊重胡克的“知识产权”。这是我们无法再为贤者讳的。

牛顿的力学三大定律和万有引力定律，为人们提供了一幅详细的自然构造图景。由于这一图景显示出的确定性、精确性以及完备性特征，使牛顿的后继者们甚至牛顿本人都产生了这样的企图，即用力学的观点说明一切自然现象。

牛顿曾写道：

我希望能用同样的推理方法从力学原理中推导出自然界的其他许多现象。^[17]

牛顿的力学三大定律和万有引力定律，不仅标志了16、17世纪科学革命的顶点，也是人类文明、进步的划时代标志。

牛顿在光学上有三大贡献：

第一大贡献就是发现了光的色散现象。关于光的颜色理论，从亚里士多德到笛卡儿（Rene Descartes，1596—1650）都认为白光纯洁均匀，乃是光的本色。1666年，牛顿在家休假期间，得到了三棱镜，并用来进行了著名的色散试验：一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，牛顿再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光再通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光。这样，牛顿发现了白光是由各种不同颜色的光组成的，这是第一大贡献。牛顿为了验证这个发现，设法把几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象。由此揭开了物质的颜色之谜，原来物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。

图3‐24　牛顿的光学实验

图3‐25　牛顿反射望远镜

发明反射望远镜，是牛顿在光学上的第二大贡献。由于发现了白光的组成，牛顿认为不管是伽利略望远镜（凹、凸）还是开普勒望远镜（两个凸透镜），其结构本身都无法避免物镜色散引起的色差。牛顿发现，经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大30—40倍。为了制造望远镜，牛顿还设计了研磨抛光机，实验各种研磨材料。经过多次磨制非球面的透镜均告失败后，牛顿决定用球面反射镜作为主镜。他用2．5厘米直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45度角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜，这种系统称为牛顿式反射望远镜。1668年，牛顿制成了第一架反射望远镜样机。现代的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构，牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法，仍是当今不少工厂光学加工的主要手段。

光的“微粒说”，是牛顿在光学上的第三大贡献。牛顿认为光是由微粒形成的，并且走的是最快捷的直线运动路径。牛顿的“微粒说”与后来惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695，荷兰）的“波动说”，构成了关于光的两大基本理论。此外，牛顿还发现了“牛顿环”现象，并制作了牛顿色盘等多种光学仪器。

牛顿在数学上的成就也是斐然的。牛顿在前人工作的基础上，提出“流数（fluxi on）法”，建立了二项式定理，并和莱布尼茨几乎同时创立了微积分学，得出了导数、积分的概念和运算法则，阐明了求导数和求积分是互逆的两种运算。微积分方法上，牛顿所作出的极端重要的贡献是，他不但清楚地看到，而且大胆地运用了代数所提供的大大优越于几何的方法论。他以代数方法取代了卡瓦列里（Cavalieri，1598—1647，意大利）、格里高利（David Gregory，1661—1708，英国）、惠更斯和巴罗（Isaac Barrow，1630—1677，英国）的几何方法，完成了积分的代数化。

对此，莱布尼茨曾说：

在从世界开始到牛顿生活的时代的全部数学中，牛顿的工作超过了一半。

足见牛顿的工作为数学的发展开辟了一个新纪元。

牛顿可谓最伟大的科学家，他的研究涉及物理学、光学、数学等众多领域，而且也取得了惊人的成就。牛顿年少时就写了《三顶冠冕》的小诗，表达了自己的远大抱负：

世俗的冠冕啊，我鄙视它如同脚下的尘土，

它是沉重的，而最佳也只是一场空虚；

可是现在我愉快地欢迎一顶荆棘冠冕，

尽管刺得人痛，但味道主要的是甜；

我看见光荣之冠在我的面前呈现，

它充满幸福，永恒无边。

1727年3月20日，牛顿逝世后为他抬棺材的是两位公爵、三位伯爵以及大法官。伏尔泰是这样描述的：

他是像一位深受自己的臣民爱戴的国王一样被安葬的，在他之前，是没有哪一位科学家享受如此殊荣的。在他之后，受到如此厚葬的也屈指可数。借鉴《圣经》中耶稣在受辱中成为荆棘之王的典故，我们认为牛顿却是自己欢

迎荆棘冠冕，得到了光荣之冠，成为科学之王，无愧于人类历史上最伟大的科学家。