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人類的發(fā)展史上,蘋果宛如一位天外來客。每當(dāng)故事變得枯燥時(shí),她冷不丁光顧一次,讓整個(gè)情節(jié)又更加生動(dòng)有趣了。在《圣經(jīng)》里,她是亞當(dāng)夏娃偷吃的禁果(書中沒有名言,多數(shù)人認(rèn)為是蘋果,也有人認(rèn)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(jī),成為家喻戶曉的iPhone。在牛頓那個(gè)年代,蘋果不經(jīng)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(gè)問題:地球上的力和天上的力是否一樣。牛頓完成了力學(xué)三定律之后,這個(gè)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(gè)蘋果掉了下來,不偏不倚的砸在牛頓的腦袋上。就是這個(gè)蘋果引發(fā)了物理學(xué)史上最有名的故事,沒有之一。但這個(gè)故事卻有很多版本。 版本一:這是我的小學(xué)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(huì)不會(huì)還砸中了自己的腦袋呢?顯然只會(huì)落到月球上,于是,他發(fā)現(xiàn)了萬有引力。那時(shí)候自然不會(huì)對(duì)故事的邏輯性產(chǎn)生質(zhì)疑,只是隱隱的擔(dān)心,蘋果樹長到月球上,吳剛?cè)痰米〔豢趁矗?/p> 版本二:牛頓確實(shí)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?yàn)橹亓壒省K肜@地球的運(yùn)動(dòng)會(huì)不會(huì)也是同樣的力?第二天早晨,他看到他的外甥女拿個(gè)繩子拴住小球,當(dāng)繩子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),小球開始繞著手轉(zhuǎn)動(dòng)起來。這和月亮繞地球極為相似,這樣看來,地球?qū)υ铝恋淖饔昧吞O果落下是一種力,所以當(dāng)時(shí)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(jù)說是牛頓的外甥女親口告訴他的,蘋果落地確實(shí)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(dòng),或者不懷善意的教會(huì)把這個(gè)蘋果安排成上帝的旨意,在人類將要解開謎團(tuán)的時(shí)候,讓上帝他老人家依然保持一種神秘的調(diào)調(diào)。 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(gè)故事是真的,我寧愿相信第三個(gè)版本,因?yàn)榈谝粋€(gè)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(gè)版本有個(gè)硬傷,牛頓怎么會(huì)不知道向心力呢?像開普勒、笛卡爾等曾那些玩轉(zhuǎn)正圓橢圓的人怎么會(huì)對(duì)向心力置之罔聞? 假設(shè)第三個(gè)版本是真實(shí)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(shí)牛頓早已經(jīng)知道,離地球越近,重力越大,重力加速度也越大; 2.那時(shí)候,人類已經(jīng)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(jù)開普勒第三定律,那么月球的重力加速度應(yīng)該是地面上的1/3600(即1/60×60),果不其然,和實(shí)際計(jì)算相符。 這就說明了地球的“重力”對(duì)月亮都有效,同樣道理,太陽的“重力”,對(duì)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(huì)厚此薄彼。個(gè)人覺得牛頓之所以被認(rèn)為最偉大的物理學(xué)家,是因?yàn)樗~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(zhì)量之間符合怎樣的數(shù)學(xué)關(guān)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(guān)系只符合圓形軌道,要知道開普勒已經(jīng)計(jì)算出地球繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道是橢圓。 終于,禍亂歲兇的日子結(jié)束了,1667年牛頓回到了母校,并在第二年獲得了碩士學(xué)位。他的才華很快得到賞識(shí),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(shù)學(xué)教授的職位,以便牛頓能盡快上崗。最終牛頓獲得該榮譽(yù)職位,而后人都為獲得此職位感到無比自豪,比如《時(shí)間簡史》的作者霍金。正是:春風(fēng)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(xué)會(huì)的注意。牛頓也在此時(shí)向皇家學(xué)會(huì)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(shí)關(guān)于光的色散問題。且不說他主張的什么“微粒論”(認(rèn)為光是微粒性質(zhì)),單說白色光由其他光組成就足以讓世人受不了了,因?yàn)楫?dāng)時(shí)的人們單純的認(rèn)為只有白光才是最純潔的。就好比一個(gè)弱柳扶風(fēng)的清純女孩,你突然告訴我她是一個(gè)心機(jī)婊,我也受不了。同樣,不能接受白姑娘是心機(jī)婊的還有時(shí)任英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)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(xué)家,要不然他就坐不了皇家學(xué)會(huì)的會(huì)長。我們了解胡克基本上都是因?yàn)閺椈傻膹椥远桑春硕桑?,?shí)際上,他也是一位發(fā)明創(chuàng)造家,曾發(fā)明改進(jìn)顯微鏡,同時(shí)他對(duì)光也有很深的研究,堅(jiān)持光的“波動(dòng)說”(認(rèn)為光是一種波),同時(shí)他從肥皂泡泡上的顏色認(rèn)為光的顏色是由頻率不一樣造成的。但是據(jù)說胡克心胸也不是很大,為了某項(xiàng)發(fā)明權(quán)和惠更斯?fàn)幷摿撕芫谩?/p> 所以于公于私,胡克都不會(huì)贊成牛頓的關(guān)于光的觀點(diǎn)。當(dāng)胡克接到牛頓的論文時(shí),他是這樣回答的:“牛頓先生有關(guān)折射與顏色的文章我已經(jīng)讀過了,他研究中優(yōu)點(diǎn)與體現(xiàn)的好奇心深深的打動(dòng)了我,從他處理顏色現(xiàn)象問題的假設(shè)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(gè)理論是鬧不可破的”,然后用“毫無意義”給這個(gè)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(biāo)新而立異。鍍金的夜壺泡的茶,誰敢喝呢?” 面對(duì)領(lǐng)導(dǎo)的批評(píng),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(rèn)為我反對(duì)你還不夠資格?那么等你能說出‘我的水平已經(jīng)不能評(píng)價(jià)你的文章’的時(shí)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(dāng)顆蔥,誰拿你蘸醬?” 一個(gè)初出茅廬的小子居然對(duì)領(lǐng)導(dǎo)這樣說話,在同時(shí)期的中國(康熙十年),問成十個(gè)大不敬之罪是綽綽有余的了。然而罵完領(lǐng)導(dǎo)的牛頓居然還生氣了,他表示在一切塵埃落定前不會(huì)發(fā)表任何論文,也不想成為別人提問的機(jī)器。和避亂時(shí)候一樣,他把自己鎖在劍橋大學(xué)的一個(gè)小屋子里,而把靈魂留在自己的精神世界里,宛如一個(gè)隱士。直到哈雷的拜訪打破了他隱居的生活,然而這已經(jīng)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(rèn)為天體引力與距離平方成反比,但是無法用數(shù)學(xué)方法從這個(gè)假設(shè)計(jì)算出行星的軌道(只能推導(dǎo)出圓形軌道,而不是橢圓),所以1679年,胡克寫信給牛頓,請(qǐng)求幫助。牛頓沒有回復(fù)。要不然就不會(huì)有1684年的故事了。 1684年,天文學(xué)家哈雷突然來訪,問了牛頓一個(gè)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。” 于是牛頓重新計(jì)算了一遍給哈雷看。哈雷喜出望外,并用這個(gè)方法精確測算了一個(gè)彗星——哈雷彗星。 在此后的2年,牛頓用微積分(流數(shù)術(shù)),計(jì)算出引力和物體質(zhì)量、距離之間的關(guān)系—萬有引力公式: 在哈雷的鼓勵(lì)下,牛頓將畢生所學(xué)均發(fā)表在《自然哲學(xué)科學(xué)原理》(以后簡稱原理)一書中,時(shí)間是1687年。 同時(shí)在《原理》一書中,牛頓還寫了關(guān)于時(shí)間、空間的思考,這也是恒久遠(yuǎn)、永流傳的話題。牛頓認(rèn)為時(shí)間就是時(shí)間,不與任何物體產(chǎn)生關(guān)系,換言之,不管測量不測量、有沒有人類、甚至有沒有地球,時(shí)間照樣存在,而且一成不變的走下去??墒撬自捳f:當(dāng)你有兩塊表時(shí),你就不知道時(shí)間了,改怎么解釋呢?牛頓認(rèn)為那只能怪衡量時(shí)間(鐘、表)的儀器不準(zhǔn)確了。同樣,空間也是如此,時(shí)間空間也沒有任何聯(lián)系,它們都是絕對(duì)的,所以稱為牛頓絕對(duì)時(shí)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(xué)。雖然牛頓將宇宙的“第一動(dòng)力”歸于萬有引力,但是最終又回到上帝身上,有人說這是因?yàn)榕nD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(cuò)亂也未可知。而我則認(rèn)為這是一種必然,因?yàn)檫€有更深層面的東西沒有解決。 最后說說那個(gè)歪脖子蘋果樹的結(jié)局,據(jù)說這顆蘋果樹在1820年被風(fēng)吹倒了,被人分成了好幾段,保存在皇家學(xué)會(huì)等地?,F(xiàn)在牛頓的母校有一個(gè)年齡不太古老的蘋果樹,據(jù)說是從牛頓家鄉(xiāng)引的種,現(xiàn)在已經(jīng)成為了游人右手或者左手或者雙手比V拍照的景點(diǎn)。 |
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