牛顿是人类科学发展史上蒙昧与现代的分水岭。牛顿建立了与感觉无关的时间,与物质无关的空间。在他之后,这个世界是物理的,绝对的,真实的,可以测量的,可以计算的。
在观察这个世界时,牛顿仿佛拥有额外的感知器官,就像打游戏时开了外挂一样。在我们感受到这个世界的表象时,牛顿已经洞察到了底层结构。几何和微积分是他的独门法宝,靠着这些,他在现代数学、光学、天文学、力学等领域纵横驰骋,无人可以望其项背。
本书是牛顿的传记,取材于牛顿的重要信件和未出版的笔记。本书没有详细记录牛顿的生平,而是侧重于科学的发现。在一定程度上,说本书是一部科学发展史和科普读物也是有道理的。
作者詹姆斯·格雷克,生于1954年,美国作家,科技史家,他的著作包括国际畅销书《混沌:开创新科学》和《信息简史》,这本《牛顿传》出版于2003年。
一、低调的牛顿
牛顿勤于研究,却怯于发表。牛顿发明了微积分,也没有拿去发表。在发明由万有引力及运动定律的时候,虽然运用了微积分的技巧,但在他1687年的巨著《自然哲学的数学原理》中却把微积分的痕迹抹去了。莱布尼茨于1684年发表了第一篇微分论文,莱布尼茨与牛顿谁先发明微积分的争论是数学界至今最大的公案。
微积分并不是牛顿唯一推迟发表的研究成果。早在1667年,他看到了尼古拉斯·墨卡托发表的《对数术》,大吃一惊。书中的内容他很早之前就发现了,而且还只是他研究中的几个特例。牛顿这才用拉丁文写了论文《无穷极数分析论》,但低调的牛顿还是要求在发表时匿名。
1669年,牛顿用运用自己发现的光学原理,自己做了一台管状反射望远镜,可将物体放大四十倍。而当时最好的有着同样效果的折射望远镜,要比牛顿做的大上十倍。牛顿用这台望远镜观察到了木星的卫星,观察到了金星。但是,整整两年,牛顿对这台望远镜秘而不宣。1671年,他展示了自己的望远镜,并出版了自己的光学笔记。牛顿的理论引起了强烈的争论,这些质疑激怒了牛顿。他表示不但退出这场争论,还要退出皇家学会,他觉得在争论中,他牺牲了自己的宁静。牛顿把他关于光与颜色的假说压下了三十多年,直到1704年他当选为皇家学会主席,他才发表了名为《光学》的书。
牛顿大部分的数学发现在当时处于不为人知的状态,我们并不知道牛顿还有多少研究成果被他束之高阁。
也许如同中国人的“文人相轻”一样,牛顿也和大部分与他打交道的科学家发生过矛盾,形成了科学史上有名的公案。牛顿不喜欢他的研究被打扰或被误解,不喜欢因为他的观点而陷入争论,更有可能,他是不喜欢别人质疑他的成果。为此,他宁愿不公开自己的研究。但是,牛顿也的确对他的“敌人”进行过无情的报复,如他利用自己皇家学会主席的身份抨击莱布尼兹。胡克是他最有名的对手,在胡克去世之后,随着科学成就达到巅峰,牛顿甚至成了英国科学的“独裁者”。
二、牛顿与科学发现
小时候,牛顿观察到一年中太阳的位置略有偏移,在天空中画出一个扭曲的“8 ”字,后来他知道,这是地球的椭圆公转轨道和倾斜的自转轴的产物。
为了理解“光”的本质,牛顿把一根缝衣服的针刺进自己的眼窝,不停地戵,“他看到几个白色或彩色的圆圈”。他还用一只眼睛盯着镜子里的太阳,当他把目光从镜子里转向边上的墙时,他又看到了彩色的圆圈。牛顿为这些颜色和圆圈感到困惑,这些是真实存在的吗?
1664年底,伦敦爆发了瘟疫,在一年多时间里,每六个人就有一个人失去生命。牛顿从剑桥大学的三一学院回到乡下家里避灾。在家里,他不断地向自己提出问题,接着计算答案,并提出新的问题。就这样,不知不觉间,他的知识已经超出了当时的时代前沿。十七世纪从未有人像牛顿那样在如此短的时间内建立起如此庞大的数学专业知识储备,而且大部分是他的个人发现。这位24岁的大学生在很短的时间内创造了现代数学、力学和光学,他成了当时世界上最杰出的科学家。
1614年出生的英国牧师约翰·威尔金斯(同时担任剑桥大学和牛津大学的学院院长)通过伽利略自制的望远镜,看到了月亮上有高山和峡谷,于是,他断定月球上有居民。他建议应该想方设法把殖民地移植到那个世界中去。不过,牛顿小时候就读到过威尔金斯的小册子,不过,他感兴趣的只是月球上的重力。他计算了将月球保持在其轨道上的力和地球表面的重力,发现这两个力几乎是相等的,于是,他发现了万有引力。牛顿的笔记中从来没有提到过苹果的故事,不过,在晚年,牛顿也说过有一粒苹果落在他身边。
读过刘慈欣的科幻小说《三体》的人都知道,天体力学中的“三体问题”是不能精确求解的,即三个质量、位置和速度都是任意的天体,在相互之间引力的作用下,我们不能够得到它们的运动规律。牛顿出版《原理》之后,曾经费尽心力要解决三个不同物体引力间相互作用的问题。现在我们知道,这是一个十八阶的微积分方程。但是,如果把太阳、地球、月亮之间看作是一个“三体”模型,牛顿最终给出了计算月球运动的实用公式。
爱因斯坦对牛顿不是颠覆,而是继承。他延伸了牛顿的理论,并将其推向极致。
三、牛顿的生活
牛顿是遗腹子,年近30的母亲嫁给了年纪是她两倍邻村的教区长,但牛顿没有成为继子,母亲把牛顿留在了老家。
1661年6月,牛顿进入剑桥大学的三一学院就读,成为那里的工读生。在这里,牛顿接触到了柏拉图、亚里士多德、伽利略等人的学说。1664年,牛顿参加奖学金考试,考欧几里得的《几何原本》。他没有学过这本书,于是,他找到一本关于占星的书,突击学习其中的三角学相关图表。后来,他购买了很多相关的数学著作。
1767年10月,牛顿成了三一学院的研究员。按照规定,研究员不能结婚。牛顿虽然一生有三段感情,还有一个未婚妻,但却因为执着于数学,终生未娶,而据说,他这一生也从未亲近过任何女人。
牛顿在日记中写道:适当的饮酒有助于想像力,但暴饮暴食和过度的研究则会破坏想像力。过度的研究和过分的热情会“导致疯狂”。
牛顿三十多岁时,头发已经灰白。他独自一人,寡言少语。他服用自己制作的药剂来预防疾病。实际上,作为一个炼金术士,经常接触的汞正在危害他的健康。
牛顿内向、害羞,不擅长也不喜欢与人打交道。
1696年4月,牛顿离开了生活了三十五年的三一学院,他被任命为铸币厂总监,第二年,升任厂长。1705年,女王授予牛顿骑士爵位。
苹果公司最早的标志是牛顿和他的苹果树。但由于过分复杂,也不宜进行矢量化处理,因此后来被弃用。苹果公司也曾经推出过一款名为“牛顿”的操作系统(Apple Newton),其硬件被认为是世界上最早的PDA。苹果电脑公司于1993年开始制造,但是因为newton在市场上找不到定位,需求量低,于1997年停止生产。
科学发展到最后都会变成哲学。但是,在牛顿所处的年代,科学刚开始萌芽,这时,牛顿遇到的最大的问题也是科学和哲学的问题,即如何把科学从哲学中抽离出来。事实上,牛顿一生都陷入科学和哲学的困扰之中,这就是有名的“第一推动力”。亚里士多德断言:凡运动着的物体必然都有推动者。但这意味着,必然存在一个没有被任何事物推动的第一推动者。牛顿对此深信不疑。
在物理层面,牛顿为世界找到了秩序,发明了计算和测量世界的方法,但是在牛顿看来,在哲学层面,世界仍是玄妙而神秘的。
莱布尼兹说:“数学的历史的前半部分可追溯至创世之初,而后半部分就是牛顿,牛顿那一半是最好的部分。”
亚历山大·蒲柏说:
自然与自然的法则,都隐藏在黑暗之中;上帝说“让牛顿去吧!”于是,一切变为光明。