第10章 一代巨人——伊萨克·牛顿

当今，宇宙航行技术日新月异，自1957年第一颗人造卫星上天以来，仅40年的时间，人类成功地登上了月球，探测器由强大的火箭推动，已经飞到火星，宇宙飞船遨游太空，轨道空间站实现了对接，许多国家都发射了卫星，通讯卫星，气象卫星，军事间谍卫星，科研卫星等等，它们按照各自的轨道绕地球旋转，给地球的卫星——月亮，增加了数不清的伙伴。

为什么行星绕着太阳转？月亮绕着地球转？人造卫星绕着地球或火星等行星转？就像有无形的绳索牵着它们，想跑也跑不掉？显然，有一种力，拉着它们，不让它们跑掉。这个力是什么呢？就是天体之间的相互吸引力。

这个吸引力真是大得不得了，这么大的地球，距太阳又这么远，太阳能牢牢地把它吸住，“强迫”它绕着自己转。只要想到这一点，就知道吸引力有多大了。何况太阳系的行星中，还有比地球大得多的行星呢！

现在人们都知道，这个吸引力就叫万有引力，第一个发现吸引力的就是家喻户晓的英国伟大的科学家牛顿（1642～1727，英国物理学家、数学家、天文学家，17世纪科学革命的顶峰人物，在力学上提出近代物理学基础的力学三大定律和万有引力，论著《自然哲学的数学原理》成为近代科学史上的重要著作）。

他提出了万有引力定律，即宇宙间一切物体，相互间都存在吸引力，这是宇宙航行技术的前提。因为只有懂得这条原理，才有可能计算出要想飞出地球，需要多大的推力，飞行器至少要达到多大的速度，也就是人们常说的第一宇宙速度。300多年以前，牛顿就提出了这样的设想。他说：“如果考虑一下抛物体的运动，就易于理解是向心力使行星维系于某些轨道上；因为被抛出的石头在其自身重力的压迫下偏离直线路径，而是沿着一条曲线落到地面；抛掷的速度越大，落地以前就飞得越远，因而我们可以设想，抛出的速度不断增大，使物体落地前飞过1英里，2英里，5英里，乃至100或1000英里，直到最后超越地球限制，进入不再接触地球的空间……像行星在其轨道上运动那样在宇宙中绕行。”

牛顿的思路多么清楚，如果有足够的力气把石头抛得足够远，石头就会像月亮那样成为地球的卫星。

今天宇宙航行技术已经证实了牛顿的预见。所以说，牛顿力学是宇航技术的基础。300年来人类一直在寻找这个强大的推力，终于找到了，依靠强大火箭的推力，人类终于克服了地球引力的阻碍，把卫星送上太空。

牛顿是如何发现万有引力定律的呢？几百年来，人们都相信这是牛顿见到树上苹果落地得到的启发，而且为牛顿想像了当时的细节。

其实，这是不确切的。世上万物，因受地球引力的作用，无不向地面降落，何只苹果！在见到苹果降落之前，难道牛顿没见过其他落体？这显然不是事实。当然，苹果落地受到启发，是牛顿自己说的。但那是在他发现万有引力定律以后，人们总是不断地追问他怎么想到这一点的。万般无奈的牛顿只好拿这句话来应付。

牛顿发现万有引力的主要依据，是当时已经提出的天体运行理论。哥白尼、伽利略、开普勒的理论，已经说明了太阳、行星、地球、月亮之间的运行关系。牛顿懂得，物体运动都是受力的推动，天体也是一样，抛离地面的石头，划过一段抛物线轨道后，落回到地面，说明地球和石头间相互存在吸引力。

从上面牛顿的话中，可见牛顿已想到地球和月亮之间有吸引力，才使月亮绕地球旋转。既然是旋转，当然轨道是圆的而不是直的。而苹果向地面降落，轨道也都是直的。牛顿才悟到：天体的运动也是力，行星绕太阳转，月亮绕地球转，既不离去，也不互相撞在一起，始终保持有规律的轨道，这个力真奇妙，牛顿由此发现了向心力和离心力，二者必相等，才形成天体间不即不离的奇观。而苹果降落地面，就表现不出向心力和离心力的合力。

牛顿发现万有引力定律，首先是他对天文进行长期观测的结果。

1644年，夜空中出现一次天文奇观：一颗明亮的彗星不期而至，牛顿每天夜里都进行观测，要作详细记录。他的生命，仿佛就是观测、思考、计算和阅读，其他都已荡然无存。还在中学读书时，牛顿就看书如此入迷，他的母亲很富有，这为他不必忧虑衣食只专心读书思考提供了条件。他寡居的母亲富有到何种程度呢？她每年大致有700英镑的纯收入。比较一下就知道了：当时普通农户家庭的年收入不过几十镑，被国王封为贵族阶层的女骑士，年均收入也只有600英镑，年收入200英镑的家庭雇得起4个佣人，还有专用马车。他母亲拥有一座庄园，牛顿在城里上学，回家的路上，他常常手牵马缰绳在山野里看很长时间的书，由于看得入迷，有一次竟一路看着走回家，忘记了骑马，马也就一路跟着他回家，至于像忘记吃饭这样的事，则早已司空见报，连仆人都懒得去提醒他。他简直是只要醒着就思考，有时在街上，园中散步，突然转身就往回跑，站在书桌边哈着腰趴着写些什么，忘记了拉把椅子坐下写舒服些。

在天文观测中，牛顿认识了著名的天文学家哈雷。1682年，又一颗彗星出现了，哈雷首先发现了它。因而命名为哈雷彗星（当然，这是以后的事）。牛顿经过2年多的研究、确信彗星太阳间存在吸引力，而且吸引力与距离之间成平方反比的关系。彗星为什么隔很多年才出现？牛顿解释说、因为彗星绕太阳运动的轨道比地球等其他行星大得多，当它远离太阳时，人们能见到它。当它接近太阳时，太阳的光把它淹没了，人们用肉眼便看不见它。

在这之前的两年，牛顿就经过大量的数学计算，确切地证明彗星和太阳系的一切行星、卫星，其运行的轨道是椭圆的。天文学家哈雷向牛顿索取计算资料，牛顿便写了《论在轨道上物体的运动》9页长的论文寄给他。开普勒关于行星轨道是椭圆的设想，终于得到科学证实。

正是以这篇论文为基础，牛顿用了18个月的时间，完成了人类有史以来最伟大的力学巨著《自然哲学之数学原理》，著名的牛顿力学三定律，就是这部科学巨著的内容之一。

牛顿一生的科学成果极为丰富。除了万有引力定律。他还提出了惯性定律，创立了微积分，发现了二项式定理，发明了三棱镜，攻破了颜色之迷，他还制成更先进的反射望远镜，更准确地进行天文观测。

他把一个数展开为无穷级数，一直计算到小数点后55位，为了便于计算位数，每隔5位数就用逗号隔开一次，他首先引入了无穷小的概念。

他终生都有一个爱好：观察太阳光，直到逝世前几小时，他还观察不止。他把房间遮挡得很暗，只在百叶窗上开一个小孔，让适量阳光通过小孔照射进来。他把一片三棱镜放在光线进入处，结果，白色的阳光按赤、橙、黄、绿、青、兰、紫七色顺序排列散开。由此，牛顿证明，太阳光是这七种颜色的光按一定比例混合成的。雨后的虹，为什么七色？由此得到科学论证。

牛顿由此想到，从前用望远镜观测物体，为什么总是在边缘上有些多彩影像，应该发明一种新的望远镜，从根本上避免色差的影响。两年以后，他制成了新的的反射式望远镜，光线不是通过透镜聚焦，而是在球面镜上反射后再聚焦。他利用多次反射原理，在延长光路扩大倍数的同时，缩短了镜体长度，而且，同镜改在镜体的侧面。他制作的40倍望远镜，直径1英寸，长6英寸时，体积只及原镜的1/10。在那个时代，是名符其实的“高新技术”。

牛顿很谦虚，面对全世界的赞美，他说：“如果说我看得远些，那是因为我站在巨人的肩上。”

勤奋出天才，这条真理在牛顿身上得到最有力的体现。牛顿之所以能取得众多的成就，并不是因为他天资聪明，才能出众。对他来说“成功=99%的汗水+1%的天才”，在他成功的道路上布满了艰辛。

牛顿是在圣诞节的欢乐气氛中降生的，但迎接他的却并不是欢乐。他生下来不足3公斤，在他出生前的几个星期父亲就离开了人间。两岁时母亲改嫁，他由外祖母抚养。后来，母亲又第二次成为寡妇。牛顿从小就经历了这么多的变故，对他有很大的影响。

牛顿并不是一个聪明伶俐的孩子，他胆子很小，喜欢独自沉思默想。上小学的时候，他只擅长数学，其他功课都不太好。因此，很少得到老师的赏识。可是，这个老师眼里的劣等生却有着特殊的爱好，他把母亲给他的一点零用钱拿去买了斧子、锤子等木工工具，在课余时间自制了许多风车、风筝、日晷、漏壶、木制时钟等实用器械，非常精巧，常常受到同学们和邻居的称赞。

一次，牛顿制作了一台精巧的小水车，在学校的小河里试车成功。当他在同学们的赞扬声中有些飘飘然的时候，一个素来瞧不起他的优等生问他水车为什么碰上水就会转，牛顿答不出来了。于是，他被同学们讥笑地称为“笨木匠”，一些同学甚至趁机欺负他。牛顿的自尊心受到了深深地伤害，他那一直沉睡着的顽强精神被唤醒了。从此以后，牛顿开始发愤学习，终于成了班里数一数二的优秀生。

进入中学后，牛顿寄宿在一个药剂师的家里。他依照一架用水利排灌的风车，精心制作了一个小风车，放在药剂师家的房顶上。然而，风车在没风时是不会转动的，于是，牛顿便抓了一只老鼠，放到风车里，由于老鼠在风车里爬动，风车便转动起来了。少年的牛顿初次显示了他非凡的创造力。

1661年，牛顿考入英国名牌大学——剑桥大学。这里集中了各地的高材生，牛顿显得很不起眼。他在各门课程里，数学最差，但牛顿并不因此而气馁。经过百折不挠的努力，数学终于成了牛顿最拿手的一门功课。这给他后来的发明创造打下了基础，也为万有引力定律的发现奠定了基础。

由于牛顿发明的望远镜的价值被皇家学会承认，1672年，他被推选为皇家学会会员。1703年，他当上了英国皇家学会会长。1705年，他成为第一个被封为爵士的英国科学家。1727年，牛顿逝世，埋葬于伦敦的威斯敏斯特，享年85岁。

牛顿的成功验证了一句话：科学上没有平坦的大路，只有勇于前进、勤奋进取的人才能获得成功。

牛顿死后被安葬在威斯敏斯特教堂，那是安葬英国英雄们的地方。而在牛顿的墓前刻下一句令世人梦寐以求的话：“人们啊，这里曾经有人为人类的尊严而活过。”法国著名哲学家伏尔泰当时正在英国访问，他目睹了牛顿的葬礼，十分感叹牛顿所获得的殊荣，他说，如果我死后能与牛顿安葬在一起，这将是我的盖世殊荣。

*附：苹果落地故事的真假——牛顿与巨人的肩膀

苹果落地的故事早已家喻户晓，但美国哈佛大学科技史教授柯亨不久前撰文，对苹果落地的故事表示怀疑。

柯亨引证史料说明，牛顿走向万有引力理论的重大一步是在1679年末到1680年初。1679年11月24日，胡克写信给牛顿，向他介绍一种分析曲线运动的新方法。胡克聪明地看到，物体沿曲线轨道的运动有两个分量，一个是惯性分量，一个是向心分量。惯性分量势必沿曲线的切线方向作直线运动，而向心分量则总是拉物体偏离惯性的直线轨道。月球运动的稳定轨道就是这两个分量互相匹配，使得月球既不会沿切线方向跑掉，又不会螺旋式地接近地球。笛卡儿认为物体作曲线运动只是运动物体企图逃离中心的力造成的，但实际上没有这样的力存在。胡克在信中请牛顿对这个假设提出意见或评论。这个假设显然是牛顿后来把曲线运动分解为一个惯性分量和一个向心分量这种想法的入门。因为在此之前，牛顿还常常用笛卡儿的离心力来描述运动。胡克在信中还大胆提出，将行星吸向太阳的向心力大小，与两星之间的距离平方成反比。由于胡克缺乏牛顿的数学才能，因此他不能再往前进，不能由直觉的预感与猜想，飞跃到严格的科学结论。

11月28日，牛顿回信说，在读到胡克的来信之前，他没有听到过类似的说法——即把行星的天体运动看作“沿曲线切线方向的直线运动”和被“吸引”向太阳的运动两者“所合成的假说”。

随后，牛顿立即把自己的研究课题换成：地球自转对自由落体的影响。但是他却不正确地描绘了自由落体物体的路径是一条螺线。胡克发现了牛顿的错误，在12月9日的信中指出，作自由落体运动发物体，其路径“将类似一个椭圆”。12月13日牛顿谨慎地答复了胡克对他的指正，但并没有对胡克提出的行星运动是“圆周运动”的分析发表什么意见。胡克并不灰心，在1680年1月6日的信中重述了向心吸引力与距离平方成反比的定量的假设，而且说明他的这种分析“十分清楚而正确地说明了天象”。牛顿仍未作答复。1月17日胡克发了一封简短的补充函件，请牛顿寻找：一个中心引力使物体偏离它的惯性轨道作曲线运动，当力与距离平方成反比时，曲线是怎样的，它的性质及造成的原因是什么？

牛顿几乎就是按照胡克的思路去做的。但他一直没有把证明的结果告诉胡克或任何其他人。直至1684年8月，著名天文学家哈雷来访，说起他和雷恩都不能解决行星运动这个问题，胡克虽声称他已解出，却拿不出一个公式。牛顿听了以后，马上回答：“是椭圆。”哈雷问他怎么知道的，牛顿回答：“我算出来的。”经哈雷敦促，牛顿为皇家学会写了《论运动》，详细谈了他的计算过程。

应该说，牛顿在其大约是1684年11月写成的《论运动》的初稿中，还未建立万有引力这一概念。这时，牛顿还没有领悟到太阳吸引每个行星，每个行星还要吸引太阳，而且行星间也互为吸引。不久，牛顿察觉到了反作用定律的重要意义，1684年12月在他完成的《论运动》的修改稿中已用相互作用来描述行星运动。1685年春季，牛顿全力以赴地完成了《自然哲学之数学原理》初稿，才完整地得出一切物体以万有引力互相作用的理论。在牛顿发现万有引力以后，胡克声明是他向牛顿建议采用了“与距离平方成反比的万有引力定律”。很多历史学家也同意胡克的看法。

牛顿说过他是站在巨人的肩膀上才发现万有引力的，但牛顿毕竟比巨人们看得更远。胡克只提出了行星与太阳的关系问题，而牛顿提出的万有引力定律适用于宇宙间一切物体。这一质的飞跃是胡克的学识所难以达到的。

后来，牛顿却想否认胡克曾给予他提示。他于1717年编撰了一段苹果落地的故事，把他对万有引力定律的研究提早20年，变成了17世纪60年代的事。不过这个故事牛顿从来没有发表过，只把它写在一封给法国作家皮埃尔·德·梅佐的信的草稿内，而且又把它勾去。但是后人却将这个故事传开来。