笔趣三小说

牛顿运动定律和牛顿革命（第1页）

牛顿、运动定律和“牛顿革命”

如果我看得更远，那是因为我站在巨人肩上的缘故。

——牛顿（Isaa，1642—1727）

伽利略的去世标志着一个时代的结束。在意大利，伽利略已经为强有力的新“科学方法”奠定了基础。但是即便在伽利略的时代，确切地说是到他逝世为止，意大利的伟大文艺复兴运动已经开始接近尾声。到了17世纪中叶，意大利已经不再为科学家提供最好的训练基地了。

在欧洲其他地方，新的政治结构采取了或多或少的统一政策，正在代替旧的封建社会，由单一民族组成的国家。但是，在意大利，旧的城邦仍然互相间持有敌意，似乎看不到团结起来形成统一力量的迹象。与此同时，到了15世纪末，航海家发现了一条绕过非洲好望角，通往东方的海上贸易通道，可以代替穿过中东的陆上通道，而意大利多年来曾经垄断了这条陆上通道。1661年，英国人得到了印度的孟买，结果英国与印度的贸易大幅增加。具有讽刺意味的是，1492年，正是意大利人哥伦布（bus，约1451—1506）为欧洲人发现了大西洋彼岸的新世界，哥伦布当然不是以意大利的名义而出航，因为没有足够财富作支撑的、各个城邦相互独立的意大利是没有兴趣送他出航的。到了17世纪中叶，英国、法国、荷兰因此而财运亨通。当时意大利和希腊已经不再是西方世界的中心了。所以，扩张的精神在英国等国正在为科学的新进展提供更好的土壤。

再有，罗马天主教会对于宗教改革的强烈抵制在英、法等国收效甚微。1534年英国建立了独立的英格兰教会，由英国国王，而不是教皇担任首脑。17世纪40年代发生了一系列内战，也叫做清教徒革命，思想自由的事业因此更是得到大大的推进。即使英国在1660年回到了君主政体，政治和宗教领域观念上的冲突仍然引起了思想动**，从而鼓励了独立思想和新观念的出现。

伟大的综台者

这就是牛顿于1642年12月25日出生后来到的世界，［他的生日是按当时英国采用的罗马儒略历（即公历）计算的］这个世界充满了政治骚乱和宗教冲突。然而，他的家乡却是一个相对平静的农场，位于林肯郡的伍尔索普乡村，林肯郡是英国东部以农业为主的郡。由于早产，他是如此瘦小，以至母亲如此形容，他可以装在一个量杯中。牛顿的童年非常孤独——父亲在他出生前去世，三岁时母亲改嫁，把他交给了祖母，他的童年大部分是和祖母一起度过。作为一个孩子，他常以制作一些小玩意来自娱自乐，诸如里面点着蜡烛的风筝，在天空中闪闪发光，还有水钟和日晷。有段时期他与一位药剂师搭伙，在那里他迷上了炼金术。他不乏好奇心，但在学校里还看不出什么苗头，至少在发生这起事件之前班上有一个小恶棍，偶尔成绩居于班上的前列，有一天牛顿和他发生了冲突。出于好强和荣誉感，牛顿突然开始发奋学习。

牛顿的母亲总是认为她的儿子应该接管农场事务，因为这时她的第二个丈夫也已去世。但是当牛顿离开学校承担农务时，显然他没有这方面的才干，相反，一有机会他总是与书为伴。多亏他的叔叔，一位剑桥三一学院的成员，把他送到剑桥大学。牛顿于1661年入学，1665年毕业。即使在23岁的年纪，他仍没有显示出特殊才华。毫无迹象表明他会成为科学革命的巨匠，从哥白尼、开普勒和伽利略以及其他人的思想中脱颖而出。也没有迹象表明他会在理论物理学和动力学方面作出伟大贡献。同样他也未表露出会在光学和数学领域取得巨大成功。

但是在1665年，一场鼠疫——大瘟疫——袭击伦敦，这座城实际上成了死城。剑桥也难以幸免，于是，牛顿离开大学回到相对安全的林肯郡农场，在那里，他利用18个月的长假，开始整理一些思想。在这段时期里，他奠定了微积分的基础，这是一种数学计算方法，它的发明使得科学家能够应付复杂的方程式。也就在此期间，他注意到了一个苹果落到地面（尽管不像传说的落在他头上）。（历史学家对此事的真伪提出质疑——但是有人辩护说，至少可以说明，看来牛顿的思考是建立在观察之上的。）这件事使他若有所思，也许把苹果拉下地面的力跟维持月亮沿轨道运行的力是同一个力？这一观念代表了与亚里士多德传统的决裂，亚里士多德坚持说，地上和天上运行的是两套完全不同的定律。而牛顿开始看到，苹果与月亮遵循同样的自然定律，只有一套普遍的定律，而不是两套。

牛顿在物理学中的地位只有20世纪的天才爱因斯坦才能向其挑战。

在牛顿被迫闲居乡间时，他还做了一系列涉及光的精彩实验。当时，每个人都假设白光是因为缺乏颜色。为了试验这一点，他把一块棱镜放在一个用厚帘子遮住的暗室前面，让它刚好位于暗室的开口处，以便阳光穿过它投射到屏上。光线分解成如彩虹般的颜色一——红、橙、黄、绿、蓝和紫。这些颜色是从哪里来的?是棱镜产生的吗?牛顿猜测它们是光线本身的成分，所以他把折射光，也就是彩虹“光谱”以相反方向穿过另一个棱镜。各种颜色重新合并，在屏上出现了清晰的白光点。

1667年牛顿回到剑桥，1669年成为那里的数学教授。回到剑桥时，他刚好25岁，对牛顿来说，一生的主攻方向已经确定，但是他现在已经不再离群索居。他生活在这样一个伟大的时代，科学受到广泛关注，到处都充满挑战、交流和争论，他卷入其中，也许身不由己。1672年，牛顿被选为皇家学会会员，他在这里报告了有关光的实验和光学理论。尽管话语不多，但他还是看到了荣誉以及公开交流的价值所在。

然而对于牛顿来说，与皇家学会打交道并不事事顺利。皇家学会的实验主管胡克也做过某些类似的实验——尽管不如牛顿那样透彻明确，于是，他马上提出反驳。1665年，胡克曾在他的著作《显微术》（Micrographia）中公布过光的波动理论，把光的传播比作水波。他还提出过一个颜色理论，用以解释薄膜的颜色和通过薄云母片观察到的光。但是他的观察只局限于两种颜色，红和蓝，而他的解释也不甚充分。尽管如此，他还是感到牛顿踏进了他的领地，于是一场终生的怨仇开始了。

孤独的童年在牛顿的一生留下了深深的烙印，他一辈子不结婚，经常陷入轻微的妄想、具有动辄抗争的性格。因此，他在许多情况中都不能与其他科学家或同事密切合作。然而，正如他自己首先承认的那样，在其他人工作的基础上，他使那些似乎有效却又充满矛盾的方法和理论得到整合、澄清和综合。

比牛顿早出生约100年的牛顿的同胞培根（Fran）以及法国哲学家笛卡儿的科学方法是一个很好的范例。1620年培根提出现在所谓的归纳（aposteriori）推理法。和伽利略一样，他相信科学思想必须建立在第一手观察和实验的基础上。再有，关于普遍真理的结论应该基于特定的观察事例而推出。他认为，演绎（apriori）推理法，一种希腊人深深迷恋的“空谈”哲学，已经在相当长的时期内使思想家误入歧途。培根的思想得到了支持，因为这些思想很好地符合英国的宗教状况。英国的宗教看重个人的宗教体验，而不是教条。这些思想也与下一世纪的工业革命相当合拍，这场革命强化了英国日益增长的经济实力。

与此同时，比培根年轻35岁的笛卡儿在法国却以不同方式提出了对立观点，他在1637年出版了《方法谈》（DiscourssurLaméthode）。他信奉演绎推理，其中先验推理是关键步骤，其推理过程是从一般到特殊。

对于笛卡儿来说，关键问题是人们是怎样获得知识的。例如，我怎么知道我存在?在《方法谈》中，他的结论是“我思故我在”（）。他提出机械论宇宙的思想，认为是上帝创造了宇宙，但宇宙的运行却是根据最初确立的法则。（他差一点就提出了这样的思想：宇宙一旦投入运行，上帝就不再干预；这一思想是后来在启蒙运动时期提出的）他认为，宇宙是由两种类型的物质组成——一种是创生出来的，或叫“广延”；另一种是灵魂——能思想的存在（人类）才拥有它——这样的二元论成了笛卡儿哲学的重要部分。笛卡儿对17世纪的欧洲有巨大影响，尽管他似乎以某种方式回到了旧希腊的老路上。

但是，笛卡儿也是第一位试图用数学方法来描述宇宙总貌的人，他至少有一项重要贡献，就是发明了解析几何学，这才有可能对付那些从前未曾碰到过的复杂计算。在微积分引入数学宝库之前，这是希腊古典时期以来，在科学的定量工具方面最伟大的突破。

牛顿接受了上述两大遗产，他拿来培根、伽利略和吉尔伯特的实验主义和归纳方法，使之与笛卡儿的定量方法相结合，打造出新的、甚至更强大的方法，这就是运用数学工具表达并且构建实验结果。

笛卡儿还试图解释开普勒引入的问题，行星为什么以椭圆轨道运动?这是当时最大的奥秘。然而奇怪的是，他对此的态度与其说是数学的，不如说是描述性的。笛卡儿和亚里士多德学派一样，主张不存在真空之类的东西，是巨大的流体或以太旋涡带着行星围绕太阳旋转。他还进一步提出：尽管上帝为运动建立了基本定律，但新的恒星、太阳系和行星还是可以从运动着的旋涡，这一物理宇宙永恒的运动中形成。笛卡儿的机械论宇宙观对当时的欧洲思潮产生过强烈影响，并为后来18世纪的启蒙运动打下了基础。但是他又从他的“空谈”哲学里发展了关于以太和旋涡的思想：它们纯粹是一种描述性的理论，缺乏定量证明。

行星按椭圆轨道运行的问题吸引了17世纪最优秀学者的关注，其中包括荷兰的惠更斯（Huygens，1629—1695），有人认为他是17世纪后半叶，仅次于牛顿的最伟大的科学家。他第一个定量估计使一个物体做旋转运动所需的力。皇家学会三个会员——胡克、雷恩和哈雷——据此考虑行星围绕太阳旋转的情况。他们提出一个公式，可以从数学上解释围绕太阳的圆形轨道：如果太阳对行星的吸引力与距离的平方成反比，行星将以圆作为轨道。换句话说，如果火星离太阳的距离是水星的两倍，则太阳对火星的吸引力是它对水星的四分之一。如果更远的行星离太阳是四倍距离，吸引力将只有十六分之一。但是仍旧没有人能够解决椭圆的奥秘。

哈雷在22岁时成为皇家学会会员，1684年在剑桥遇到了牛顿。于是他向牛顿提出椭圆轨道的问题。早在1665—1666年，牛顿在18个月的长假中，在家乡农场里就已经得到了与胡克、雷恩和哈雷相同的数学公式，即“平方反比”定律。考虑到苹果和月亮都受地球吸引力的影响，他估计，这种力应该随着与地心距离的平方关系而减少。但是当要着手进行证明时，他需要知道，相比于苹果，月球离地心有多远，但他没有正确的数据，只好止步不前了。因此他从未发表这一工作。但是现在，他有了地球半径的修改数据可供依据，再加上有了更为成熟高明的数学技巧。结果就是牛顿最伟大的著作《自然哲学之数学原理》（Philosophiaenaturalisprincipiamathematica），简称《原理》，诞生了，他写这本书用了18个月。

但是，这一工作成为胡克和牛顿之间另一场争论的焦点，胡克指出，他在很久以前给牛顿的一封信中提出过平方反比定律。皇家学会收回了对出版这一著作的承诺，但是哈雷插手进来，提供出版所需的钱，暂时调和了胡克和牛顿之间的争执。哈雷还亲自校对排版。1687年第一版面世，共三卷，只印了2500本。

运动三大定律