牛頓:大流行病爆發隔離期中成就大學問

2020-12-18 量子認知

我們許多人都知道牛頓,他是著名的物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家,他的萬有引力和三大運動定律奠定了此後三個世紀裡物理科學基礎,推動了科學革命。

我們許多人都知道牛頓的巨大科學成就,但鮮有人知道他所成就的大學問,跟他所經歷的一場大流行瘟疫,具體有什麼樣的聯繫。實際上,他最著名的突破性發現是在大瘟疫的「社交隔離」期間所鑄就成的。

1665年,一場著名的稱為「倫敦大瘟疫」的大規模傳染病爆發,短短一年半之內,超過10萬人死於這次瘟疫之中,相當於當時倫敦人口約四分之一。後來過了200年,科學家們才發現引起這場瘟疫的細菌,被確認為是淋巴腺鼠疫,一種由鼠疫桿菌造成並以跳蚤為載體的細菌感染。

即使當時並不知道確切原因,但當時的人們仍在實踐我們今天為避免大流行疾病所做的一些相同的事情——「社交隔離」。鼠疫肆虐,當時許多的倫敦城市市民,都退縮到農村的相對安全地帶,英國各地的校園都被「社會隔離」令清空。

劍橋大學三一學院的一名23歲的學生被迫離開校園學習生活,無限期地回到他的童年時代的家鄉,不確定什麼時候能回到學校,什麼時候能恢復正常學習生活。他就是牛頓,被迫回到童年的一個叫做伍爾索普的農場,位於大學以北近100公裡處。在接下來的近兩年的時間裡,前後兩次牛頓被迫回到他的伍爾索普農場,以免被感染。

牛頓童年居住的伍爾索普農場

與當時許多人不同的是,他下定決心如何在此期間有效工作。遠離大學生活,不受課程限制和教授的束縛,牛頓開始了他的自由探索。根據傳記作家的說法:「在沒有他的教授指導的情況下,牛頓顯然更加生動活潑。」在家裡,他增添了書架,書架上是他收集來關於亞里斯多德、笛卡爾、伽利略、哥白尼、克卜勒等巨人的著作,並潛心鑽研,對以前的數學家和哲學家留下的思想進行了系統的深思整理。

也許你聽說過牛頓的一個名言:「如果說我看得比別人更遠些,那是因為我站在巨人的肩膀上」(If I have seen further, it is by standing on the shoulders of giants),那麼,你可能知道他是站在了那些巨人的肩膀上。

在瘟疫發生的前一年,也就是1664年,牛頓開始了對數學的深入思考,並發現了自己抽象推理的傑出才能。在離開劍橋之前的幾個月裡,他解決了導致過去發生微積分問題的關鍵,同時開創了一種新的幾何方法。當他回到自己的家鄉時,這種才能達到迅速發展。

他為自己創建了一個小辦公室,他的想法和計算填滿了空白筆記本。由於沒有傳統的日常生活幹擾,牛頓的創造力蓬勃發達。在這段時間裡,他發現了微分和積分學、制定了萬有引力理論、並探索了光學、嘗試了稜鏡並研究光。

他獲得了幾個稜鏡,這些稜鏡在1660年代以新穎性的工藝品出售。牛頓在自己的童年臥室裡進行了實驗,在窗戶上打了一個洞,使只有一束很細的光才能進入昏暗的房間。

牛頓的關鍵創新是採用第二個稜鏡,並將其放置在第一個稜鏡發出的單色光束的路徑上。當它從第二個稜鏡的另一側射出時,該射線仍然是相同的顏色,從而證明玻璃介質沒有改變它,由此產生了他的光學理論。這個房間從朝南的百葉窗到彩色光譜落到的牆壁長6米多,後來這個房間被稱為為牛頓紀念室。

牛頓紀念室
牛頓家園的蘋果樹

也許你聽說過牛頓的萬有引力的普遍性的洞察力,是受到這段時間他在自己家園裡的一棵蘋果樹的蘋果墜落的啟發,這是牛頓本人晚年才講的這個故事。這棵蘋果樹的果實後來移植生長在馬裡蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究院的園區裡。

蓋瑟斯堡國家標準與技術研究院的牛頓樹

隔離孤立的寧靜激發了一個全新的知識領域的誕生。這個萬有引力的影響遠遠超出了物理學領域。當被問及如何發現引力的,他回答說:「不斷地思考它。」

心理學與腦神經學的研究結果也表明,天才的想法或靈感是一種閃電,而這種閃電靈感只有在適當的情況下才會出現,比如在寧靜的深思時刻。在牛頓的手稿上列出了他試圖解決的問題,其中包括「物質、位置、時間和運動……宇宙秩序、然後……光、色彩、視覺」,並且這個清單繼續了他將在接下來的二十年中追尋的問題等。

牛頓傳記作家詹姆斯·格裡克(James Gleick)寫道:「瘟疫之年是他的轉折點。他是孤獨的,幾乎是單身一人生活,因此成就了他成為了世界上最重要的數學家。」 他發現了廣義二項式定理,並開始發展一套新的數學理論,也就是後來為世人所熟知的微分與積分學。在此後兩年裡,牛頓在家中繼續研究微積分學、光學和萬有引力定律。

牛頓本人對這段被迫離開大學生活的時期如是說:「因為那時候我比任何時候都更年輕,對數學和哲學我非常重視發明和思維。」這是「奇妙的一年」,是一個頗有成效的時期。1888年的一份出版物,列出了他在1665年和1666年的成就時,引用了他的話:「或者在那些日子裡我正處於我發明的鼎盛時期」。

大瘟疫隔離期間的牛頓手稿

大瘟疫最終結束,牛頓於1667年回到劍橋,半年後成為研究員,到1666年底完成了三篇有關三篇有關光學、微積分等的論文。這是他最密集的數學創造力時期。兩年後成為教授。這段「」社會隔離「期間所取得的發現,成為了他多年歷史生涯的基礎。憑藉他的學術地位和穩定的收入,牛頓時常又回到他的伍爾索普農場,繼續他的思索和研究。

大流行病爆發期間的隔離對我們所有人來說都是艱難的時刻,因為我們的傳統生活和例行活動被打亂,會有很多令人不便與難過的事情,但這也可能是深思、探索、發現的不平常時機。

現代心理學的研究結果也表明,時代的突然變化及其隔離孤立,可能會以通常情況下無法實現的方式,釋放一個人的想像力和創造力。這種「社交疏遠」體驗也許並不是一個人的最低點,但卻可能導致一個人的創造力的頂峰,可能是一個人制定其遠大志向並盡力而為的時候,所以可能是一個人的奇蹟之時。

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