原標題:站在巨人的肩膀上,竟然是一種諷刺?
作者:王爽中山大學物理與天文學院研究員,科普作家
編輯:婉珺
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充滿苦難的少年時代
1643年1月4日, 艾薩克·牛頓(Isaac Newton)出生在英格蘭鄉下一個叫伍爾索普(Woolsthorpe)的小村莊。他的父親是一個還算富裕的小農場主,母親是一個家道中落的鄉紳的女兒。然而就在牛頓出生前3個月,老牛頓因病去世。臨死前,別人讓他在遺囑上簽字,由於不會寫自己的名字,老牛頓就在上面籤了一個大寫的「X」。
牛頓故居。圖片來源:Wikipedia
牛頓是一個早產兒,出生的時候特別瘦小;按他媽媽的話說,甚至可以放進一個1升大的馬克杯裡。迫於生計,牛頓的媽媽在他3歲那年嫁給了一個年紀是她兩倍以上的老頭子。這個老頭不喜歡小孩,所以牛頓被留在了自家的農場,由外婆撫養。牛頓特別痛恨自己的繼父,曾經想一把火燒了他的房子。直到牛頓10歲的時候,繼父也過世了,他媽媽才搬回來與他同住。
12歲那年,牛頓被送到附近的城鎮去上中學。他寄宿在一個藥劑師家的閣樓上,並養成了寫日記的習慣。牛頓的中學生活依然極度艱難。藥劑師的兩個兒子對牛頓都很不友好;在學校裡,由於矮小的身材、孤僻的性格以及遺腹子的身份,牛頓飽受霸凌,甚至經常在放學後被打得鼻青臉腫。在一本日記中,牛頓曾多次哭訴,說他的中學生活如同「地獄」。
剛開始的幾年,牛頓的成績並不好。所以在16歲那年,他媽媽強迫他退了學,好回家幫忙幹農活。幸好牛頓的中學校長覺得這個孩子有潛力,專門跑到牛頓家去遊說;再加上牛頓的舅舅也覺得外甥是可造之材,答應會在經濟上幫忙,牛頓才得以重返校園。
我們應該感謝這兩位有識之士。要是沒有他們,整個人類的文明史都會改寫。
重回校園的牛頓變得特別努力,很快就成了全校最好的學生,並在18歲的時候考上了劍橋大學的三一學院。從那以後,牛頓的人生變得煥然一新。但苦難的童年和少年時代還是在他的身上留下了不可磨滅的印記,終其一生,他都極度孤獨。
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冉冉升起的學術新星
當時劍橋大學的學生分為三類:貴族學生、普通學生和減費學生。貴族學生的學費很貴,但也享有很多的特權,例如只用3年就可以從大學畢業;普通學生交正常的學費,像今天的大學生一樣,需要用4年才可以從大學畢業;減費學生幾乎不交學費,但他們必須要給教授和貴族學生當傭人,來維持半工半讀的生活。牛頓是減費學生,在因為學業成績優異而獲得一筆豐厚的獎學金之前,他當了3年的傭人。
劍橋大學三一學院中具有哥德式建築風格的庭院「巨庭」(The Great Court)。圖片來源:Andrew Cunn
在三一學院的前兩年,牛頓一直都在圖書館裡自學。第三年,他遇到了自己的伯樂——第一任盧卡斯數學教授(劍橋大學的一個榮譽職位)艾薩克·巴羅。在巴羅的指引下,牛頓對數學產生了濃厚的興趣,並在22歲那年發現了廣義二項式定理。這是牛頓做出的第一個重大的成果。由於這個貢獻,他被錄取為了三一學院的研究生。
但就在牛頓即將開始他的研究生生活之際,倫敦突然爆發了一場大瘟疫。為了保護師生的安全,劍橋大學決定遣散學生,讓他們回鄉下避難。無奈之下,牛頓只好回到伍爾索普村,並在那裡進行了18個月的科學研究。那18個月,後來成了科學史上永恆的傳奇。因為在那短短一年半的時間裡,牛頓完全靠一己之力開創了三門影響深遠的學科:微積分、力學和光譜學。
1667年,倫敦的大瘟疫終於平息下來,牛頓也得以重返劍橋。在那裡,已經是世界最頂尖科學家的牛頓,很快就開始綻放光芒。1669年,巴羅主動讓賢,推薦當時只有26歲的牛頓出任第二任的盧卡斯數學教授。3年後,因為發明了世界上第一臺反射式望遠鏡,年僅29歲的牛頓被選為了英國皇家學會的院士。
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一生之中最大的敵人
但沒過多久,牛頓就在皇家學會的會議上遇到了他一生之中最大的敵人。此人就是英國物理學家羅伯特·胡克(Robert Hooke)。
遺憾的是,胡克在世時的畫像恐怕都沒能留存下來。這是歷史畫家Rita Greer根據胡克兩位同事對他的描寫創作的胡克畫像。畫中展現了彈簧、懷表、化石,以及一張「大火」(Great Fire)後的倫敦地圖。1666年倫敦發生了嚴重火災,火勢蔓延4天,燒毀了城中建築。火災後,胡克參與了倫敦的重建。圖片來源:Rita Greer
同牛頓一樣,胡克也有一個苦難的童年。他從小體弱多病,所以小時候就沒去學校,而由他爸爸在家裡給他授課。13歲那年,他爸爸去世了,為了維持生計,胡克只好背井離鄉,跑到倫敦去當學徒。幸好,他考入了威斯敏斯特中學,然後又考入了牛津大學。
20歲時,胡克成為英國化學家羅伯特·波義耳的助手,並在不久之後逐步建立起了自己的學術聲譽。25歲,他發現了後來被稱為「胡克定律」的力學規律。28歲,他又發明了一個高解析度的顯微鏡,首次看到了植物細胞的細胞壁,並提出了「細胞」的概念。由於這些貢獻,胡克也在不到30歲時就被選為英國皇家學會的院士,並被人們譽為「倫敦的達文西」。
成名後的胡克逐漸變得傲慢起來,開始時不時地打壓新人。1672年,他就盯上了一個新人,那就是已經聲名鵲起的牛頓。
應皇家學會的邀請,牛頓到了倫敦,做了一場關於光學的演講。在這場演講中,牛頓提出光是由一個個粒子構成的。沒想到演講一結束,胡克就跳出來砸場子,宣稱光其實是由波構成的。皇家學會外籍院士、荷蘭物理學家惠更斯也隨聲附和,對牛頓的光學理論大加指責。這最終引發了一場持續了整整一年的大論戰:光到底是粒子還是波?
這場論戰給牛頓帶來了很大的傷害。由於喚起了少年時代慘遭霸凌的經歷,他甚至一度威脅要退出皇家學會。在皇家學會秘書奧登伯格的調解下,雙方最終達成了「和解」。但從那以後,牛頓就開始在劍橋「隱居」,不再對外發表自己的學術成果了。
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牛頓的復仇
但牛頓和胡克的孽緣並沒有結束。1679年,胡克給牛頓寫了封信,說他剛被任命為皇家學會的秘書,想要了解一下各位院士近期的科學研究。在進行了一系列關於力學的討論後,胡克告訴牛頓,他認為任意兩個物體之間都存在引力,而這個引力與物體間的距離平方成反比,這就是所謂的平方反比律。但問題是,胡克只是提出了這麼一個猜想,卻完全無法證明它的正確性。
早在幾十年前,波蘭天文學家克卜勒就發現了著名的克卜勒三定律。根據克卜勒三定律,太陽系中所有的行星都在沿橢圓軌道環繞太陽運動。所以有些科學家就猜想,平方反比律和克卜勒三定律之間應該尋在著某種聯繫。但問題在於,要想證明兩者之間的因果聯繫,必須用到一個當時還不存在的數學工具,那就是微積分。
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而牛頓正是微積分的發明者。事實上,他正是為了解決這個力學難題,才發明了微積分。換句話說,牛頓是真正的天選之人;除了他以外,世界上沒有任何一個人有能力解決這個科學史上最有名的難題。
1687年,在英國天文學家哈雷的資助下,牛頓出版了人類科學史上最偉大的著作— 《自然哲學的數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),人們經常簡稱它為《原理》。在這本書中,牛頓提出了著名的牛頓運動學三定律和萬有引力定律,並利用他發明的微積分,證明了從引力的平方反比律出發可以推導出克卜勒三定律。這本書的出版,讓牛頓名滿天天,或者按哈雷的話說,成了「世界上最接近神的人」。
胡克又給牛頓寫信,要求牛頓修訂《原理》,承認自己才是平方反比律的發現者。這個要求徹底激怒了牛頓。他給胡克回信,說這個定律根本不是胡克提出的,而是一個盡人皆知的事實;早在1645年,法國天文學家布利奧就已經提出了此定律。所以作為對胡克要求的回應,牛頓直接刪光了《原理》中所有涉及到胡克的文字。
不僅如此,為了嘲諷胡克,牛頓還在回信中說了這麼一句話:「如果我能看得更遠一點的話,是因為我站在巨人的肩膀上。」其中的潛臺詞是,「我的成就,與你胡克這個駝背的矮子無關!」搞笑的是,這句用來罵人的話,後來竟然成了一句用來形容牛頓謙遜的名言!
《原理》出版以後,兩人的鬥爭就失去了懸念。隨著牛頓的步步高升,胡克在皇家學會的地位也越來越被邊緣化。1703年,胡克逝世。同一年年底,牛頓就當上了英國皇家學會的會長。他對昔日打壓自己的胡克進行了殘酷的報復,關閉了胡克的實驗室,燒毀了胡克的畫像,還抹掉了胡克在皇家學會的一切痕跡。
牛頓曾持有過的《原理》,現存於英國劍橋大學三一學院的萊恩圖書館中。書中有牛頓自己的為後一版本做的修訂。圖片來源:Andrew Dunn
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天生牛頓,萬物生明
1693年,劍橋大學發生了一場大火,燒毀了牛頓的實驗室。牛頓的很多手稿都在這場大火中付之一炬。從那以後,牛頓逐漸告別了埋頭科研的生活,開始了自己的另一種人生。
1696年,在新任英國財政大臣的幫助下,牛頓當上了皇家造幣廠的督辦(即二把手)。1700年,他升任為皇家造幣廠的廠長。
在17世紀,英國一直實行銀本位的制度。換句話說,銀幣是英國的主要貨幣。但銀幣有一個很大的缺點,那就是特別容易受到磨損,而逐漸發生貶值。牛頓經過仔細的調查研究,指出白銀的衰落已經不可逆轉,不如乾脆放棄銀幣,把金幣作為國家的主要貨幣。1717年,英國議會通過決議,把黃金和英鎊正式掛鈎,這就是著名的金本位制度的起源。牛頓也因此而被後人稱為了「金本位之父」。
當然,牛頓也不是完人。他因為買了很多南海公司的股票而巨虧兩萬英鎊,相當於他在劍橋大學工作100年的薪水。牛頓事後感嘆到:「我能計算天體的軌跡,卻無法預測人性的瘋狂」。
不過,這兩萬英鎊對當時的牛頓已經不算什麼了。他當時是皇家學會會長兼皇家造幣廠廠長。要是換成今日中國的官職,相當於中國科學院院長兼中國人民銀行行長。
1705年,牛頓被安妮女王冊封為爵士,成了世界上第二個被冊封為爵士的科學家(第一個是弗朗西斯·培根)。1727年3月31日,牛頓與世長辭,並成了世界上第一個享受國葬待遇的科學家。著名的法國啟蒙思想家伏爾泰親眼目睹了牛頓的葬禮,並在回憶錄中寫到:「英國人悼念牛頓就像悼念一位國王。」
後世對牛頓有數不清的讚美。其中流傳最廣的是英國詩人亞歷山大·蒲柏的一首詩:
Nature and nature's laws lay hid in night; God said "Let Newton be" and all was light.
(道法自然,舊藏玄冥。天生牛頓,萬物生明。)
作者名片
排版:曉嵐
題圖來源:thinglink.com
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