牛頓的蘋果 | ①故事是真是假?

2021-02-17 中國科學院國家天文臺

大家都聽說過牛頓蘋果的故事,牛頓看到蘋果落下而發現萬有引力的故事是大家都耳熟能詳的。英國在紀念牛頓《自然哲學的數學原理》一書出版三百周年的文集時,書的封面也用的是一個蘋果。牛頓家鄉的蘋果樹也被移栽到世界各地的許多著名學術機構。

李克強總理在談到科技創新的時候也提到了這個故事,他說:「創新成果往往不是『計劃』出來的。比如牛頓坐在蘋果樹下發現萬有引力定律,就屬於靈光一現的突發奇想。但這種突發奇想不是拍腦袋想出來的,而是厚積薄發的結果。」

圖註:牛頓家鄉故居(背景中的房子)旁的蘋果樹,取自https://www.atlasobscura.com/articles/newton-apple-tree

但是,近年來卻有很多文章把這個故事歸入了虛假故事裡。隨便在網上搜索可以找到很多這樣的文章。例如,在一篇題為《那些誤導我們的教科書故事--牛頓根本沒被蘋果砸》的文章中,在提到這個故事時是這樣說的:「關於牛頓和他的蘋果是伏爾泰編的,據說他是聽牛頓的侄女說的,當然牛頓的所有手稿中沒提到那隻蘋果。」

再比如,另一篇題為《小學教材裡的中國式虛假故事:華盛頓砍樹,牛頓被蘋果砸都是假的》這樣一篇文章裡,把牛頓的蘋果故事與《愛迪生救媽媽》、《地震中的父與子》等虛假故事放在一起,「可惜的是,這些故事全是假的,不是歷史的真相。」並進而寫到,「再比如,牛頓的『假如我看得比別人遠一些,是因為我站在巨人的肩膀上』名言,是在他與胡克爭奪萬有引力定律的優先發現權時,為了譏諷胡克而說的(胡克是個駝背和身體扭曲的矮子),顯示了牛頓卑劣的人格。」

還有一篇,在《淺談當前小學科學課程標準的缺陷 》的文章裡,作者寫到「牛頓的萬有引力定律是以克卜勒的行星運動三定律為基礎的,而我們卻不重視這一重要過程, 還常常毫無意義地談論落地蘋果激發了牛頓靈感的神話。」

牛頓蘋果的故事真的如這些文章所說的那樣完全是虛假的嗎?其實,在小學教科書和少兒讀物中流行的牛頓蘋果故事,雖然有演繹的成分(比如說牛頓被蘋果砸到),但實際上基本內容卻是來自歷史文獻的。當然,牛頓確實並未在他的論著中提到蘋果的故事,不過人們在正式的科學著作中一般也不會講述自己的科研靈感來源,因此這本身不足以否定牛頓蘋果故事的真實性。牛頓蘋果的故事是一些熟悉牛頓的人聽晚年的牛頓自己講述的。

這個故事最著名的講述者是法國啟蒙哲學家伏爾泰(Voltaire)。伏爾泰1726年到英國,根據他在英國的見聞,1733年伏爾泰出版了他的《哲學書簡》(又稱《英國書簡》),在其中他描述了宗教上寬容多元、政治上民主自由的英國,這給當時的法國思想界帶來了相當大的衝擊而一度被列為禁書。

伏爾泰1727年參加了牛頓的國葬儀式,他在書中也介紹了牛頓萬有引力理論,這與當時法國佔主導地位的笛卡爾漩渦學說有很大不同。

關於牛頓發現萬有引力的經過,伏爾泰寫到:「1666年,他退隱到劍橋附近的鄉下,有一天在自己的花園裡散步,看到有水果從樹上掉下來,便陷入了對重力的沉思。.使重物墜落的力量是一樣的,不管是在地下多深處,也不管是在多高的山上,都不會有明顯的減小。為什麼這一力量不會一直延伸到月球上呢?如果這一力量真的一直深入月球,從表面上看,難道不正是這一力量使月球保持在其軌道上嗎?."(文獻【1】,p.66-67)

伏爾泰的故事來自牛頓的外甥女凱薩琳·康迪特(Catherine Conduit),她在娘家的名字叫凱薩琳·巴頓(Barton),是牛頓的同母異父妹妹漢娜·斯密思(Hanna Smith)的女兒。她的丈夫約翰·康迪特(John Conduit, 1688-1737)在英國駐直布羅陀的軍隊中任職後回國,娶了凱薩琳後成為牛頓在皇家造幣廠的助手,並在牛頓死後繼任了造幣廠廠長。

他們夫婦死後安葬在西敏寺牛頓墓的旁邊。約翰·康迪特對牛頓相當崇拜,曾有意撰寫一部牛頓的傳記(未完成),因此很早就開始注意記錄牛頓的談話,並在牛頓逝世後收集了其他人對牛頓的回憶。我們現在所讀到的牛頓軼事大多來自他們當時收集的記錄。

還有另一個獨立的記錄來自威廉·司徒克雷(William Stukeley, 1687-1765)。他和牛頓都來自林肯郡,是牛頓的老鄉。司徒克雷也畢業於劍橋大學,是一名醫生,在鄉間巡診時他對鄉間遺存的古蹟產生了濃厚興趣。他多次訪問巨石陣(Stonehenge),並首次進行了詳細的測量和記錄,成為考古學的先驅者之一。他也成了皇家古物協會的秘書,也加入了皇家學會並結識了當時擔任學會主席的牛頓,與牛頓有很多交往。

1726年4月15日,他去牛頓家,告知牛頓他準備離開倫敦回鄉養病,回的地方就是牛頓的老家林肯郡,並將定居在格蘭瑟姆鎮,這是牛頓小時候上學的地方。後來他在格蘭瑟姆採訪了很多認識牛頓的老人,包括傳說中牛頓少年時代的女友文森特夫人,收集了許多牛頓童年時代的軼事,並調查了牛頓的家譜。

在這次見面中(4月15日),晚餐後他們來到花園,在蘋果樹下喝茶。司徒克雷後來寫到,「他告訴我,在過去,正是在相同的情景下,重力的概念進入他的頭腦。它是由一個蘋果落地引起的,而當時他正坐著沉思默想。他自己思量,為什麼蘋果總是垂直地摔在地上,為什麼它不斜著跑或者向上跑,而總是跑向地球的中心呢?的確,原因是地球吸引蘋果。在物質中必定有吸引力存在,地球的吸引力總和一定指向地球的中心,而不指向地球的任何一側。所以這個蘋果垂直地向地球中心下落。如果物質之間如此吸引,吸引力一定與物質的量成比例。所以,蘋果吸引地球,和地球吸引蘋果一樣。存在一種力量,像我們這裡所說的重力,它通過宇宙延伸自己。」(文獻【2】)

此外,還有數學家Robert Greene在他的著作中稱皇家學會副主席Martin Folkes 也曾聽牛頓講述過這個故事。牛頓的另一位朋友、數學家棣莫弗(Abrahamde Moivre,1667-1754)雖然沒有提到蘋果,但是他也說到1666年牛頓在花園中思考的時候產生了關於引力的想法(文獻【3】,p.154)。

這些人的說法大體上是一致的,雖然也有一些細節上的差異,比如牛頓到底是坐著沉思時,還是散步時看到蘋果下落。而且他們都是非常熟悉而崇敬牛頓的人。蘋果的故事確實來自牛頓本人,這一點並沒有太多可懷疑的。

誠然,牛頓講述這一故事的時候,已經離故事發生的時間過去差不多60年了,但如果牛頓是從一個蘋果落地得到靈感的話,這無疑會在他心中留下深刻的印象,因此他晚年能夠回憶並講述這一故事並不奇怪。

參考文獻

【1】伏爾泰著,《哲學書簡》,閆素偉譯,商務印書館,2018.

【2】威廉·司徒克雷,伊薩克·牛頓爵士回想錄(Memoirs of Sir Issac Newton's life), 轉引自趙振江譯《牛頓傳記五種》,商務印書館,2007.

【3】Richard S. Westfall,Never at Rest, A biography of Issac Newton, p.154, Cambridge University Press,1980.

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