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#探秘时空
8个内容
导读：那个在中学物理考试中折磨你的牛顿，到底是怎样一个人？
作者：数据叔
来源：大数据DT（ID：hzdashuju）
01 与科学贡献无关的爵士身份
艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton），可能是人类历史上第二伟大的物理学家，也是一个有爵士头衔的人。但“物理学家”和“爵士”其实并没有什么关联，牛顿并不是因为科学贡献而被封为爵士的。据《宇宙观》一书介绍，出于对炼金术的兴趣，1696年起，牛顿开始在皇家铸币局任职，1699成为局长。牛顿本以为这是一个闲职，他会有大把的摸鱼时间研究炼金术，但这份工作与他的想象完全不同。不过，认真严谨的牛顿还是很快进入了他的新角色：他以便衣和卧底的身份出没于伦敦的酒吧和小旅馆，寻找制造假币的嫌疑犯。任职期间，牛顿一共提起28件假币诉讼案，其中10名罪犯被执行死刑。[1][2]1705年，英国安妮女王授予牛顿爵士身份，以表彰他在皇家铸币局的出色工作。
▲面值50便士的牛顿纪念币，来源：《宇宙观》
02 最伟大的贡献
1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐述了万有引力和三大运动定律，这是牛顿最著名的成就。牛顿构建的物理王国统治世界200余年，直到爱因斯坦发表狭义相对论。对于一个普通理科生来说，牛顿力学是初一到高二这5年间的折磨，直到高三换成爱因斯坦来折磨。在人类肉眼可及的太阳系范围内，牛顿运动定律几乎跟现实完全匹配，如果出现误差，那一定是哪里不对。19世纪，人们在观测中发现，天王星的实际位置跟牛顿运动定律预言它应该的位置的偏差越来越大，于是有天文学家推测，在天王星之外应该还有一颗尚未发现的大行星。1846年，法国天文学家勒维耶根据牛顿定律完成了这颗新的大行星的位置推算。随后，柏林天文台根据勒维耶的计算观测到了这颗新行星——后来被命名为海王星。海王星成为第一颗通过计算而不是通过观测被发现的行星。当时，牛顿已去世100多年，但他科学成就的影响力却已扩散到了太阳系的边缘。牛顿的引力理论能够准确地解释行星的运动，只是在水星那里遇到了一点小问题，这说明牛顿的理论还不是尽善尽美。早在19世纪中叶，人们就已注意到水星的轨道运动与理论预测有点出入，可却一直不知道问题出在哪里，直到1915年爱因斯坦提出广义相对论，才把这个小矛盾给解决了。广义相对论预言，行星的轨道并不是真正闭合的椭圆，而是会发生进动，轨道的轴缓慢地转动，使行星的运动轨迹形如一朵盛放的玫瑰（见图17-1）。不过，除非行星是在非常强大的引力场里高速运动着，否则轨道进动的幅度微不可察。在太阳系行星中，就数水星离太阳最近，它身处在太阳的引力场的深处，自然转得比其他行星快一些，轨道进动的幅度也更大一些，尽管如此，水星轨道的进动效果仍然微乎其微。[1]
▲《宇宙观》图17-1 水星轨道的进动（效果被夸大了）
所以，如果我们说牛顿是第二伟大的物理学家，第一就只能是爱因斯坦了。但英国人民不这样认为。2005年，英国皇家学会发起一个“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，网民认为牛顿比爱因斯坦更有影响力。[2]
03 沉迷炼金术？这其实算不上黑点
牛顿的成就无需多说，或许关于牛顿的黑点更有必要讨论一下。上文提到，牛顿是出于对炼金术的兴趣才进皇家铸币局的。还有人说，牛顿沉迷炼金术30年，明显是被炼金术耽误了，在发表《自然哲学的数学原理》之后再无伟大成就。炼金术在今天听起来像是江湖骗术，你大概可以理解为，它是研究怎么把铅变成金子的骗术。但在当时，现代化学尚未诞生，那些想揭开物质世界变化秘密的科学家、哲学家，都绕不开炼金术。显然，生活富足的牛顿，应该没有多大动机去研究怎么把铅变成金子，他的目的应该是进一步解开世界运转的密码。受到时代的局限，牛顿的炼金术并没有取得什么成果。科学研究又不是神话故事，失败实在是太正常的事情了。如果以成败论英雄的话，牛顿不是这个领域的英雄。但牛顿绝不是有些人想象中的江湖骗子，也没有被什么迷信思想蛊惑，他对炼金术的研究仍然是认真严谨的。[3]04 跟各位大佬的战争
这句话出自他给同时代的英国物理学前辈罗伯特·胡克的信。考虑到牛顿与胡克的关系，这句话真正要表达的意思就非常可疑了。作家John Gribbin和Michael White认为，这其实是牛顿对胡克身材矮小并驼背的讽刺，而不是字面上看起来的谦虚低调的意思。[2]对于普通理科生来说，有关胡克的印象可能仅仅是高一的时候被胡克定律摧残。实际上，被科学家同僚称为“伦敦的达芬奇”的胡克，在很多方面都有所成就，也是一个干出过很多硬核事情的人。胡克和牛顿都是吵架高手，作为牛顿的前辈，胡克起初占上风，多少有些欺负新人的意味，而牛顿能做的就是把这些都记在小本本上。
▲现在英国皇家学会所在地，作者：Kaihsu Tai
1684年，当时的英国皇家学会会长克里斯托弗·雷恩、后来预测了哈雷彗星的埃德蒙·哈雷和胡克聚在一起，搞了一个小赌局：看谁能先证明行星与太阳之间的作用力满足平方反比。其实平方反比定律是胡克在与牛顿的通信中为了教训牛顿而提出的，他对此早有想法和见解。而对此没什么成熟想法的哈雷去求助牛顿。牛顿说：这题我会。然后……给出了证明！等到1687年牛顿发表他那著名的《自然哲学的数学原理》时，这个争议达到了顶峰。哈雷在给牛顿的信中提到，胡克承认第一个证明的平方反比定律的是牛顿，但“至少应当在序言中把他提一下”。但牛顿却回复：“（胡克）至少必须节制一下他的虚伪。”[4]1703年胡克病逝，也是在这一年，牛顿成为皇家学会会长。大权在握、功成名就的牛顿，没有忘记年轻时小本本上记下的怨念。牛顿解散了皇家学会的胡克实验室和胡克图书馆。他还试图烧毁大量胡克的手稿和文章，虽然被阻止，但胡克的研究成果还是在一定程度上被抹杀。牛顿要求皇家学会撤下了胡克的肖像，这幅画像最终去了哪里也没人知道。而这很可能是胡克唯一的画像，因此如今我们几乎无法知道胡克的长相。跟牛顿干仗的不只有胡克一个。牛顿和莱布尼茨很有可能是分别独立发明了微积分。但1699年，皇家学会指控莱布尼茨剽窃了牛顿的微积分成果，宣称牛顿是微积分真正的发明人。但后来人们发现，皇家学会调查评论的结语是牛顿自己写的。[5]牛顿曾在《自然哲学的数学原理》的初版中使用天文学家约翰·佛兰斯蒂德的数据，后来他与佛兰斯蒂德交恶，于是在《自然哲学的数学原理》的后续版本中，把对佛兰斯蒂德数据的引用全删干净了。英国心理学家西蒙·拜昂-柯恩认为，牛顿很可能是亚斯伯格综合症患者[2]，也就是前一段时间的热播剧《谁是被害者》男主角的那种病。
▲牛顿自己保存的《自然哲学的数学原理》，作者：Andrew Dunn05 真真假假的苹果
提到牛顿，就不得不提苹果。很多人小时候都听说过，牛顿在苹果树下躺着思考人生的时候，看见成熟的苹果从树上掉下来，受到启发，就揭开了引力之谜。在那些更戏剧化的故事里，苹果是直接砸了牛顿的脑袋上。关于这个故事的真假，古今中外一直都争论不休。按《宇宙观》中给出的说法，这个故事是牛顿自己亲口说的：尽管这个故事听起来不真实，却是牛顿亲口所说。在去世前的7年里，牛顿与侄女凯瑟琳·巴顿（Catherine Barton）、侄女婿约翰·康杜德（John Conduitt）住在一起，后者也是牛顿在铸币局的工作助手。康杜德记录下了牛顿讲的故事：1666年，他再次离开剑桥，搬回林肯郡与母亲同住。有一天，他在花园里一边散步一边思考，忽然想到让苹果从树上掉下来的那种力不会只局限在离地面有一定高度的地方，而是会延伸到比人们通常认为的要高得多的地方。为什么不可以到月亮那么高？他心想。如果是这样，引力一定会影响月亮运行，还有可能约束着它，让它乖乖待在自己的运动轨道上。于是，他动手计算了一下这个效果。[1]
但仍然有人认为，即使是牛顿亲口说的，也不能代表这个故事是真实的，他可能只是想让自己的研究经历更富有传奇色彩而已。不管真实性如何，牛顿的苹果作为一个文化符号流传开来。牛顿老家的那棵苹果树后裔的枝条，被国内外一些著名高校移植到校园中。在中国，你可以在天津大学、汕头大学和南京大学找到牛顿家的那棵苹果树的后代。[6]牛顿的苹果跟美国苹果公司的苹果也有一些微妙的关系。暂时没有可靠资料能够证实苹果公司名称和现在这款Logo的设计跟牛顿的苹果是否有关。但苹果公司的第一个Logo，就是坐在苹果树下的牛顿。这个Logo是联合创始人罗纳德·韦恩的钢笔画。[7]
▲苹果公司的第一个Logo
有人认为纠结于这个故事是没有意义的，因为被从树上掉下来的苹果砸过的人有无数个，但除了牛顿，没有人发现了什么。牛顿只有一个。[1]《宇宙观：一场跨越时空的宇宙探秘之旅》 - 机械工业出版社https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%89%BE%E8%90%A8%E5%85%8B%C2%B7%E7%89%9B%E9%A1%BF[3]牛顿为何沉迷于“炼金术”三十年？到底给他带来了什么成果？- 中外历史大谈https://baijiahao.baidu.com/s?id=1620622311611919303&wfr=spider&for=pc[4]300年后的复仇——胡克V.S.牛顿 - 三联生活周刊http://www.lifeweek.com.cn/2003/0730/6125.shtml[5]"A Short Account of the History of Mathematics" - Walter William Rouse Ball[6]苹果并没有砸到牛顿的头 可这并不影响 “牛顿苹果树”全球开枝散叶 - 杭州网https://hzdaily.hangzhou.com.cn/dskb/html/2015-11/08/content_2114431.htmhttps://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%98%8B%E6%9E%9C%E5%85%AC%E5%8F%B8
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