牛頓是科學界神一樣的存在，他在數學上發明了微積分、二項式定理；在力學上提出了牛頓三定律；在天文學上建立了萬有引力定律；在光學上發現了白光是複合光，並且發明了反射式望遠鏡……這些成就，一個人一生只要做出其中一項就足以名垂千古，而牛頓做出了所有這些成就。
愛因斯坦評價說在牛頓以前和以後，「都還沒有人能像他那樣決定著西方的思想、研究和實踐的方向」。而普通人對於牛頓的了解，大都來源於那個「蘋果落地」的科學軼事。
1665年-1666年，倫敦暴發大瘟疫，牛頓離開劍橋回到故鄉。在老年牛頓的自述、《自然哲學的數學原理》第三版主編彭伯頓的敘述、伏爾泰的敘述，以及牛頓傳記作者斯圖克利1752年的回憶中，都說牛頓在1666年發現了萬有引力定律。這些導致「蘋果神話」流傳了幾百年，世人都認為24歲的牛頓從蘋果下落悟出了萬有引力。
事實果真如此嗎？ 「人文清華雲講壇」第五場日前開講，著名科學史家、清華大學科學史系主任吳國盛教授登壇講授《瘟疫之年：重新認識牛頓》。他指出，「蘋果神話」確實存在，但是，事實上，牛頓真正發現萬有引力定律，是在1685年－1686年之間。
牛頓為何製造「蘋果神話」
倫敦大瘟疫是一場1665年至1666年間發生在英國的大規模鼠疫暴發，超過8萬人死於這次瘟疫之中，相當於當時倫敦人口的五分之一。
倫敦大瘟疫波及劍橋，劍橋學生牛頓也受了影響。1665年8月學校關閉，在關校之前一個月，牛頓回到他的老家伍爾索普莊園，這是牛頓出生的地方。
瘟疫期間，牛頓在家裡待了大概一年半的時間。據說牛頓在家躲避瘟疫時，坐在他們家一棵蘋果樹下沉思，由於蘋果砸中了他的腦袋，引發了他的思考，導致他發現了萬有引力定律，這被稱之為著名的「蘋果神話」。
吳國盛教授講述說，「蘋果神話」主要有四個來源：
第一個來源，是老年牛頓自己說的。他在去世之前的七八年間寫了一份東西，說1665年、1666年這兩年是他一輩子發明最旺盛的時期，其中有一項發明就是思考了重力延伸到月球軌道這個問題，但我們看這份手稿裡並沒有提到蘋果。
第二個來源，是牛頓《自然哲學的數學原理》第三版主編彭伯頓在1728年的一本書裡寫到的，提到萬有引力定律是來自1666年牛頓逃避大瘟疫時的思考。
來源之三，是啟蒙運動偉大的思想家伏爾泰那本著名的《牛頓哲學原理》。他在1736年出版的這本書裡提到，牛頓的外甥女告訴他說，牛頓在鄉下看到蘋果落地陷入沉思，引發了對萬有引力定律的思考。
來源之四，是牛頓的同鄉、也是他的傳記作者斯圖克利。「他在1752年寫了一本書回憶他跟牛頓的故事，提到1726年，即牛頓去世前的那一年，4月15日晚飯之後他們倆出去散步，牛頓親口跟他說，當年就是在相同的情景下，蘋果落地引發了他對重力的思考。」
吳教授總結說：「這四個來源，其實都是來自於牛頓本人，也就是說，『蘋果神話』是牛頓本人說的，當然他的傳記作者有些添油加醋。『蘋果神話』很長時間以來都被人們認可，『蘋果神話』並不是街頭小報的八卦，而是當時學界共同的看法。」
牛頓說自己站在「巨人」的肩膀上
最主要的巨人是笛卡爾
雖然「蘋果神話」存在，但是，萬有引力定律絕對不是牛頓坐在蘋果樹下被蘋果砸中腦袋之後，即興想出來的。吳教授表示，偉大的思想從來都有歷史背景，而萬有引力定律的形成，笛卡爾功不可沒：「可以說牛頓就是笛卡爾直接的繼承者。牛頓有一句名言『如果我看得比別人更遠一點，那是因為我站在巨人的肩膀上』，這個『巨人』指的就是笛卡爾。沒有笛卡爾的鋪墊，牛頓到達不了後來的高度。」
對大多數人來說，笛卡爾是著名的哲學家，吳教授則告訴大家，笛卡爾更是新物理學的第一人：「17世紀是一個天才的世紀，群星閃爍，笛卡爾是17世紀前半葉最閃亮的明星。他創立了一套新物理學來全方位取代亞里斯多德的舊物理學，他是新物理學的第一人。」
亞里斯多德認為，天和地完全不一樣，物質組成不一樣，天上是純粹的、透明的、完美的，是不變化的，地上是土、水、氣、火四元素。運動方式也不一樣，天界的運動方式是勻速圓周運動，地上的運動方式是直線運動。笛卡爾則認為，宇宙僅僅由物質和運動構成，不分天上地下，「這個思想稱之為統一原理，直接對應哥白尼革命帶來的天和地界限打破這件事情。笛卡爾創立了新物理學的第一原理，這個原理對於牛頓的『蘋果神話』非常重要，因為『蘋果神話』包含一個意思，即蘋果和月球之間沒有本質的區別，但這個思想不是牛頓的首創，笛卡爾已經提出來了。」
笛卡爾提出的第二個原理是慣性原理。亞里斯多德認為，運動要麼是自然運動、要麼是受迫運動。自然運動是出於本性的運動，重物下落輕物上升，天經地義；而受迫運動一定需要外力維繫，外力一旦撤掉受迫運動就中止。笛卡爾認為，運動不需要外力維持，運動自我維持，而且數量守恆，「這被稱為慣性原理，今天我們稱之為牛頓第一定律，但牛頓第一定律的首創者不是牛頓，而是笛卡爾。」
笛卡爾提出的第三點，宇宙模型是最關鍵的區別。亞里斯多德的宇宙是天球宇宙，大球套小球、天球套地球這個模式。笛卡爾用渦旋宇宙模型替代天球宇宙模型，用宇宙渦旋解釋當時所碰到的所有物理問題。笛卡爾認為，所有的行星繞太陽轉動，是因為太陽周邊有一個大的渦旋。太陽之外還有很多渦旋，他認為世界是多宇宙的，不只有一個太陽系。所有的渦旋都是由大量的渦旋微粒所構成，渦旋運動既解釋了太陽系裡行星的運動，也解釋了月亮繞地球的轉動、拋物體的運動、蘋果落地的自由落體運動、彗星運動等等。
吳教授有些遺憾地說：「除了我們做科學史的人之外，今天很少有人聽說過歷史上還有一個偉大的渦旋宇宙體系，那是因為牛頓徹底清除了渦旋宇宙，用萬有引力宇宙取而代之。這相當於新物理學的版本轉換。如果說笛卡爾的物理學是新物理學1.0版，牛頓的新物理學就是2.0版，正是這個版本轉換，導致笛卡爾在科學史上的地位遠遠不如牛頓。今天在哲學系，笛卡爾的書仍是必讀書，但物理教科書裡基本上沒有笛卡爾的名字。」
牛頓曾經對鍊金術投入很多精力
吳教授透露，牛頓一輩子興趣比較廣，他在劍橋待的那些年，其實用心比較多的並不是萬有引力，甚至也不是微積分的發明，1667年－1684年，牛頓最主要的精力投入在鍊金術實驗。排在他興趣第二位的是聖經年代學研究，此外光學實驗是他在學生時代比較喜歡的一個實驗類型，「他造了一個反射式望遠鏡，後來被命名為牛頓式望遠鏡，可以解決色差問題，是望遠鏡裡非常重要的一類，牛頓憑著這個發明入選了皇家學會。瘟疫期間他雖然思考過重力問題，但後來擱置了十幾年，一直沒太關注。」
現在有證據表明，在1665年—1669年，牛頓做了很多計算。其中有兩個非常重要的計算：第一個，他算出了一個圓周運動的物體會有離心力，離心力與距離成反比，與它的速度的平方成正比，F=mv2/r，現在叫作惠更斯公式，牛頓大概在1665年—1669年期間就推導出來了。他推導完之後根據地表蘋果的重力加速度，再根據月球的運動周期，算出來地表重力應該是月球離心力的4325倍，這個計算結果是有問題的，因為牛頓當時的數據不是很準。
牛頓的第二個計算，是根據克卜勒第三定律以及他自己新得到的離心力公式，推導出平方反比公式，離心力應該與距離的平方成反比。根據這個公式，他計算出地表的重力應該是月球離心力的3600倍。兩個計算的結果不一致，並不令人滿意。於是牛頓認為，笛卡爾式的渦旋還在起作用，引力問題就被擱置了。
牛頓重新把萬有引力撿起來是1679年，吳教授說，「牛頓之所以敢於把萬有引力提出來，而且把它作為一個主要的決定性因素來思考，與其鍊金術活動是有關係的。」
英國著名的物理學家胡克和牛頓在光學問題、發現萬有引力的優先權上一直爭吵不休，1679年胡克給牛頓寫信說，咱們能不能不打了，恢復通信。胡克的來信，讓牛頓進一步思考，「這段時間內鍊金術活動對他的思想有很大影響，他越來越相信存在具有超距作用的萬有引力。萬有引力和宇宙渦旋最大的區別是什麼？宇宙渦旋是微粒的碰撞，蘋果落地、月亮繞地球轉動，在笛卡爾看來都是大量微粒碰撞的結果；而牛頓的萬有引力是個超距作用，兩個物體之間即使隔著遙遠的距離，不接觸也能發生作用。」
牛頓真正發現萬有引力定律是在1684—1686年
牛頓對萬有引力產生興趣的轉機發生在1684年。那年，發現哈雷彗星的哈雷專程去拜訪牛頓，詢問假定太陽對行星的引力是與距離平方反比的話，行星軌道應該是何種曲線？牛頓回答說當然是橢圓，自己早就算過了。哈雷說能否讓他看一看，牛頓假裝找了找說找不到，承諾哈雷找到後寄給他，然後牛頓花了三個月時間寫了一份證明過程寄給哈雷。吳教授說：「這個證明就是任何做橢圓軌道運動的物體，必然受一個朝向焦點的平方反比力。反之，任何在平方反比力作用下的物體，必然做一個橢圓或者圓錐曲線運動，這是萬有引力定律的第一個關鍵證明，這個證明嚴格說是1684年年底才做出來的。」
哈雷收到這封信之後非常激動，立即鼓勵牛頓多寫一點。「哈雷點燃了牛頓未來一年半的熱情，牛頓其他事都不幹了，連最喜歡的鍊金術也不玩了，專心致志寫那部偉大的《自然哲學的數學原理》。在這部偉大的著作裡，牛頓以一種前無古人後無來者的超級天才的洞察力，對此前種種思想要素做了一個綜合，構造了一套非常偉大的公理體系，這個體系就是牛頓力學體系。」
吳教授講述說，在這部著作裡，牛頓用他發明的微積分證明了地球吸引蘋果的方式。「地表上的蘋果離地球的地表很近，過去不知道怎麼算那個距離。如果離得很遠的話，大概可以以物體和地心的距離作為距離來計算，可是蘋果在地球表面，那麼地球吸引蘋果應該以什麼距離吸引呢？這其實是一個微積分的問題。牛頓嚴格證明了地球吸引蘋果就如同所有的質量都集中在球心一樣，這隻有牛頓能證明出來，沒有微積分知識就沒法證明，而這點證明不了，萬有引力定律就沒法用，沒有辦法知道地球怎麼吸引物體。萬有引力兩個重要的原理都在1684年—1686年完成，所以，真正發現萬有引力定律是在這兩年，而不是在倫敦瘟疫那兩年。」
天不生牛頓 萬古如長夜
1665年—1669年，牛頓初步推導出了平方反比力公式，1684年年底嚴格證明了平方反比力公式。1686年—1687年嚴格證明了球體引力公式，1687年出版的這本《原理》裡面萬有引力定律才大功告成。
《自然哲學的數學原理》成就了牛頓在科學界「大牛」的地位，吳教授說：「 《自然哲學的數學原理》出版以後，新的天文學終於有了堅實的物理基礎，對古代科學的整體替代完成，因此牛頓是科學革命的完成者。今天我們所做的科學大範圍內還是牛頓科學，所有的其他學科都向著牛頓物理學看齊，牛頓物理學成了近代科學的一個典範。牛頓不僅做出許多了不起的科學成就，而且建立了科學的標準，這是他最牛的地方。牛頓可以說是神一般的存在了。英國著名詩人浦珀應邀為牛頓寫了一個墓志銘，很可惜這個墓志銘並沒有真的刻在西敏寺的牛頓墓碑上，這個墓志銘寫道：『自然和自然律在黑暗中隱藏，上帝說，讓牛頓去吧，於是一切豁然開朗！』有些中國人喜歡譯成更簡潔的句子，即『天不生牛頓，萬古如長夜』。」
17世紀是天才輩出的世紀，為什麼唯有牛頓能作出這樣的成就？吳教授分析原因有三，首先，這是一個偉大的時代，從哥白尼、克卜勒、伽利略、波義耳到笛卡爾，都是牛頓的先驅。
第二，牛頓有獨特的天分，擁有超凡的數學能力和實驗能力。他的天分正好揭示了近代科學的兩個秘密，就是數學加實驗。「牛頓是人類歷史上的超級數學天才之一，進入前五名沒問題。而且牛頓不僅是數學厲害，實驗能力也極強。他早年初出茅廬時被認可，就是因為做光學實驗。今天雖然發現牛頓的光學理論有很多錯誤，但是他的關鍵實驗仍然正確，他對白光複合光的發現今天仍然正確，其實驗方法是最絕妙的。」
第三個原因，則是牛頓從事研究的動機是什麼。「我們通常喜歡把科學看成是一個促進生產力發展的技術，用於造就財富，但牛頓的科學沒有這些功能。談到牛頓就不能不談他的信仰，牛頓相信唯意志論的上帝，牛頓認為，上帝的全知全善全能不在於他是不是理性，而在於他能不能自由揮灑他的意志，在於他能不能說了算。在一個說了算的上帝那裡，他可以隨時改變這個世界。笛卡爾的上帝是唯理論的上帝，他的體系是通過概念進行理性推理，比如笛卡爾哲學就是從『我思故我在』這樣一個第一命題、完全不能懷疑的命題往下推，他構造了一套推理體系系統。可是牛頓的上帝不允許單憑理性認識這個世界，因為任何理性的構造都可以被上帝隨時打破，面對這樣一個唯意志論的上帝，人們認識世界的唯一方法是經驗，就是得小心翼翼地獲取經驗，通過對經驗進行歸納總結，來揣摩這個世界的規律。牛頓的信仰裡面特別強調經驗的紮實性。因此萬有引力的發現過程中，牛頓實際是總結了大量物體運動的現象後對它們進行數學歸納。所以，牛頓能夠提出和笛卡爾不一樣的一套宇宙體系。」
吳教授表示，牛頓本人其實不是一個牛頓主義者，「在牛頓看來，宇宙一半是機械的，一半是微妙的。機械的部分是可以用《原理》解釋，微妙的部分用鍊金術來解釋。但是無論是機械的還是微妙的，歸根到底是由上帝解釋。我希望這樣一個知識架構可以幫助大家理解牛頓，理解牛頓為什麼一輩子主要的時間像魔法師一樣在玩鍊金術、研究聖經年代學。」
文/本報記者 張嘉 供圖/人文清華