牛頓愛好制作機械模型壹類的玩藝兒,如風車、水車、日晷等等。他精心制作的壹只水鐘,計時較準確,得到了人們的贊許。有時,他玩的方法也很奇特。壹天,他作了壹盞燈籠掛在風箏尾巴上。當夜幕降臨時,點燃的燈籠借風箏上升的力升入空中。發光的燈籠在空中流動,人們大驚,以為是出現了彗星。盡管如此,因為他學習成績不好,還是經常受到歧視。
當時,封建社會的英國等級制度很嚴重,中小學裏學習好的學生,可以歧視學習差的同學。有壹次課間遊戲,大家正玩得興高采烈的時候,壹個學習好的學生借故踢了牛頓壹腳,並罵他笨蛋。牛頓的心靈受到這種刺激,憤怒極了。他想,我倆都是學生,我為什麽受他的欺侮?我壹定要超過他!從此,牛頓下定決心,發奮讀書。他早起晚睡,抓緊分秒、勤學勤思。 刻苦鉆研,牛頓的學習成績不斷提高,不久就超過了曾欺侮過他的那個同學,名列班級前茅。
時間對人是壹視同仁的,給人以同等的量,但人對時間的利用不同,而所得的知識也大不壹樣。
牛頓十六歲時數學知識還很膚淺,對高深的數學知識甚至可以說是不懂。“知識在於積累,聰明來自學習”。牛頓下決心靠自己的努力攀上數學的高峰。在基礎差的不利條件下,牛頓能正確認識自己,知難而進。他從基礎知識、基本公式重新學起,紮紮實實、步步推進。他研究完了歐幾裏德幾何學後,又研究笛卡兒幾何學,對比之下覺得歐幾裏德幾何學膚淺,便悉心鉆研笛氏幾何學,直到掌握要領、融會貫通。遂之發明了代數二項式定理。傳說中牛頓“大暴風中算風力”的佳話,可為牛頓身體力學的佐證。有壹天,天刮著大風暴。風撒野地呼號著,塵土飛揚,迷迷漫漫,使人難以睜眼。牛頓認為這是個準確地研究和計算風力的好機會。於是,便拿著用具,獨自在暴風中來回奔走。他踉踉蹌蹌、吃力地測量著。幾次沙塵迷了眼睛,幾次風吹走了算紙,幾次風使他不得不暫停工作,但都沒有動搖他求知的欲望。他壹遍又壹遍,終於求得了正確的數據。他快樂極了,急忙跑回家去,繼續進行研究。
有誌者事竟成。經過勤奮學習,牛頓為自己的科學高塔打下了深厚的基礎。不久,牛頓的數學高塔就建成了,二十二歲時發明了微分學,二十三歲時發明了積分學,為人類科學事業作出了巨大貢獻。
牛頓是個十分謙虛的人,從不自高自大。曾經有人問牛頓:“妳獲得成功的秘訣是什麽?”牛頓回答說:“假如我有壹點微小成就的話,沒有其它秘訣,唯有勤奮而已。”
少年牛頓
1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索浦的壹個自耕農家庭裏,牛頓誕生了。牛頓是壹個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了壹位震古爍今的科學巨人,並且竟活到了84歲的高齡。
牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時,母親改嫁給壹個牧師,把牛頓留在外祖母身邊撫養。11歲時,母親的後夫去世,母親帶著和後夫所生的壹子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沈默寡言,性格倔強,這種習性可能來自它的家庭處境。
大約從五歲開始,牛頓被送到公立學校讀書。少年時的牛頓並不是神童,他資質平常,成績壹般,但他喜歡讀書,喜歡看壹些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物,並從中受到啟發,自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意,如風車、木鐘、折疊式提燈等等。
傳說小牛頓把風車的機械原理摸透後,自己制造了壹架磨坊的模型,他將老鼠綁在壹架有輪子的踏車上,然後在輪子的前面放上壹粒玉米,剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不斷的跑動,於是輪子不停的轉動;又壹次他放風箏時,在繩子上懸掛著小燈,夜間村人看去驚疑是彗星出現;他還制造了壹個小水鐘。每天早晨,小水鐘會自動滴水到他的臉上,催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻,尤其喜歡刻日晷,家裏墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷,用以驗看日影的移動。
牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學。牛頓的母親原希望他成為壹個農民,但牛頓本人卻無意於此,而酷愛讀書。隨著年歲的增大,牛頓越發愛好讀書,喜歡沈思,做科學小實驗。他在格蘭瑟姆中學讀書時,曾經寄宿在壹位藥劑師家裏,使他受到了化學試驗的熏陶。
牛頓在中學時代學習成績並不出眾,只是愛好讀書,對自然現象由好奇心,例如顏色、日影四季的移動,尤其是幾何學、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記,又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發明、小試驗。
當時英國社會滲透基督教新思想,牛頓家裏有兩位都以神父為職業的親戚,這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環境和活動中,還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異於常人的兒童。
後來迫於生活,母親讓牛頓停學在家務農,贍養家庭。但牛頓壹有機會便埋首書卷,以至經常忘了幹活。每次,母親叫他同傭人壹道上市場,熟悉做交易的生意經時,他便懇求傭人壹個人上街,自己則躲在樹叢後看書。有壹次,牛頓的舅父起了疑心,就跟蹤牛頓上市鎮去,發現他的外甥伸著腿,躺在草地上,正在聚精會神地鉆研壹個數學問題。牛頓的好學精神感動了舅父,於是舅父勸服了母親讓牛頓復學,並鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校,如饑似渴地汲取著書本上的營養。有壹次,他去郊外遊玩,之後靠在壹棵蘋果樹下休息,忽然,壹個蘋果從樹上掉下來。他覺得很奇怪,為什麽蘋果會從上往下掉而不是從下往上升?他帶著這個疑問回到了家裏研究,後來他發現原來地球是有引力的能把物體吸住。隨後,就出現了《牛頓物理引力學》。
1661年,19歲的牛頓以減費生的身份進入劍橋大學三壹學院,靠為學院做雜務的收入支付學費,1664年成為獎學金獲得者,1665年獲學士學位。
17世紀中葉,劍橋大學的教育制度還滲透著濃厚的中世紀經院哲學的氣味,當牛頓進入劍橋時,哪裏還在傳授壹些經院式課程,如邏輯、古文、語法、古代史、神學等等。兩年後三壹學院出現了新氣象,盧卡斯創設了壹個獨辟蹊徑的講座,規定講授自然科學知識,如地理、物理、天文和數學課程。
講座的第壹任教授伊薩克·巴羅是個博學的科學家。這位學者獨具慧眼,看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。於是將自己的數學知識,包括計算曲線圖形面積的方法,全部傳授給牛頓,並把牛頓引向了近代自然科學的研究領域。
牛頓並不善於教學,他在講授新近發現的微積分時,學生都接受不了。但在解決疑難問題方面的能力,他卻遠遠超過了常人。還是學生時,牛頓就發現了壹種計算無限量的方法。他用這個秘密的方法,算出了雙曲面積到二百五十位數。他曾經高價買下了壹個棱鏡,並把它作為科學研究的工具,用它試驗了白光分解為的有顏色的光。
開始,他並不願意發表他的觀察所得,他的發現都只是壹種個人的消遣,為的是使自己在寂靜的書齋中解悶,他獨自遨遊於自己所創造的超級世界裏。後來,在好友哈雷的竭力勸說下,才勉強同意出版他的手稿,才有劃時代巨著《自然哲學的數學原理》的問世。
作為大學教授,牛頓常常忙得不修邊幅,往往領帶不結,襪帶不系好,馬褲也不紐扣,就走進了大學餐廳。有壹次,他在向壹位姑娘求婚時思想又開了小差,他腦海了只剩下了無窮量的二項式定理.牛頓小的時候有壹位青梅竹馬的小姑娘,但是當牛頓到劍橋去學習之後,小姑娘家給了另壹位,而牛頓也專心於他的學業.後來,那位小姑娘後也與丈夫離婚了,當她去找牛頓時,牛頓深感自己已經屬於科學,不能給她幸福,就忍痛割愛,拒絕了她.牛頓也因此終生未娶。
牛頓從容不迫地觀察日常生活中的小事,結果作出了科學史上壹個個重要的發現。他馬虎拖沓,曾經鬧過許多的笑話。壹次,他邊讀書,邊煮雞蛋,等他揭開鍋想吃雞蛋時,卻發現鍋裏是壹只懷表。還有壹次,他請朋友吃飯,當飯菜準備好時,牛頓突然想到壹個問題,便獨自進了內室,朋友等了他好久還是不見他出來,於是朋友就自己動手把那份雞全吃了,雞骨頭留在盤子,不告而別了。等牛頓想起,出來後,發現了盤子裏的骨頭,以為自己已經吃過了,便轉身又進了內室,繼續研究他的問題。
牛頓的陰暗面
中 國人說:“為尊者諱恥、為賢者諱過”,外國人也說:“歷史是隱惡揚善的”,都是壹個意思,即介紹大人物時,盡說好話,甚或錦上添花地增光加彩,而把他們見 不得人的事情隱去。在壹部力學史上最顯赫的人物莫過於牛頓了,後人贊揚他的豐功偉績時,總不免憑空添加了許多不符合事實的光彩,而將他性格的陰暗面和做過 的許多醜事隱去。本文就是要根據人們近來考證的壹些事實,來剝去罩在牛頓頭頂上那些多余的光環,讓我們認識壹下這位力學家的另壹面。
牛頓在光學、天體力學、望遠鏡等方面都有重要貢獻,他不愧是壹位科學上的巨人,但是他在與人相處中,特別集中反映在與胡克、弗拉姆斯蒂德、萊布尼茲三個人的交往中,卻表現得實在是壹位小人。
1.蘋果的神話
幾 乎所有的介紹牛頓的書上,還有許多教科書上都介紹壹個關於牛頓的傳奇故事:1665-1666之間,劍橋流行黑熱病,劍橋大學被迫停學,剛從劍橋拿到學士 學位的牛頓回到家鄉。壹天牛頓坐在蘋果樹下看書,這時壹只蘋果落了下來,這啟發這位當時年僅23歲的學生想到蘋果是被地球的引力拉下來的,從而他就發現了 萬有引力定理。
盡管這個故事流傳得非常廣泛,不過近來嚴肅的歷史學者都不認為是事實。
這 個故事最早公諸於眾的是由法國作家伏爾泰 (Voltaire,1694-1778),他是壹位牛頓研究成果的熱情鼓吹者。他1726年去英國,當年寫了25篇通訊,其中第15篇通訊中有這個故 事,後來他說是聽牛頓的侄女說的。其後在1752年壹位比牛頓小45歲的朋友(William Stukeley)在回憶文章中說是牛頓去世前壹年牛頓告訴他的,而牛頓是1727年去世的,他寫文章時已經是牛頓去世後25年了。下面這張1磅英國鈔票 的背面,印有牛頓的像,在牛頓頭部的背後畫著壹株開花的蘋果樹,就是為了渲染這個故事、擴大它的影響。
這 個故事至少有兩點與已經了解的歷史事實不符。第壹,萬有引力不是牛頓壹個人的獨立發現,而是歷史上若幹人研究的積累的結果,有的書上把萬有引力以牛頓命 名,說成是牛頓萬有引力就是這個故事的自然結果,是對歷史的嚴重歪曲。第二,在1665年,牛頓對天體的運動規律問題還是壹個門外漢,它把牛頓對萬有引力 的研究成果提前了至少20年。
萬有引力發現的實際經過大致是:
開 普勒(J.Kepler,1571-1630)最早在探索行星運動規律時,認為引力就是太陽發出的類似於磁力的流,這些磁力流沿切線方向推動著行星公轉, 其強度隨離太陽的距離而減弱。開普勒還曾企圖用磁作用機制解釋橢圓軌道的產生。他還以月球與海水間的磁性吸引解釋潮汐現象。
1645年,法國天文學家布裏阿德(I.Bulliadus)提出壹個假設:“開普勒力的減少,和離太陽的距離的平方成反比”。這是第壹次提出平方反比關系的思想。
1661 年,英國皇家學會成立了壹個專門委員會研究重力問題。羅伯特 胡克(Robert Hooke,1635-1703)、克裏斯托夫 雷恩(Christopher Wren,1632-1723)、愛德蒙 哈雷(Edmund Halley,1656-1742)在引力問題的研究上都做出了重要貢獻。
早 在1661年,羅伯特 胡克就已覺察到引力和地球上物體的重力有同樣的本質。在1674年的壹次演講“證明地球周年運動的嘗試”中,他提出要在壹致的力學原則的基礎上建立壹個宇 宙學說,為此提出了以下三個假設:“第壹,據我們在地球上的觀察可知,壹切天體都具有傾向其中心的吸引力,它不僅吸引其本身各部分,並且還吸引其作用範圍 內的其他天體。因此,不僅太陽和月亮對地球的形狀和運動發生影響,而且地球對太陽和月亮同樣也有影響,連水星、金星、火星和木星對地球的運動都有影響。第 二,凡是正在作簡單直線運動的任何天體,在沒有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或復雜的曲線運動之前,它將繼續保持直線運動不變。第三,受到吸引力 作用的物體,越靠近吸引中心,其吸引力也越大。至於此力在什麽程度上依賴於距離的問題,在實驗中我還未解決。壹旦知道了這壹關系,天文學家就很容易解決天 體運動的規律了。”胡克首先使用了“萬有引力”這個詞。他在這裏提出的這三條假設,實際上已包含了有關萬有引力的壹切問題,所缺乏的只是定量的表述和論 證。
在 1679年,胡克與牛頓之間進行了關於引力問題的交流,在1679年11月,牛頓致信胡克說:“自己關於發現周日運動的想象,即設想壹個自由落體落到地球 上,通過地面進入地球內部,而不受任何物質的阻礙,則該落體將沿著壹條螺旋形軌道運行,在旋轉數圈後,最終旋入(或十分接近)地心。”胡克回信說,物體不 會按螺線運動,而是按“壹種帶橢圓狀的曲線”運動,它的軌道將“像-橢圓”。1679年12月13日,牛頓寫信給胡克說:“我同意妳的意見,……如果假定 它的重力是均勻的,〔物體將〕不按螺線下沈那個真正的中心,而是以交替升降的形式運行。”
我 們從後人清理牛頓同胡克的這些通信中看出,直至1679年,牛頓在天體運動的問題上,還是不得要領的,而且在這以前,關於萬有引力問題已經有了許多重要結 果。對於萬有引力問題,剩下的唯壹問題就是在與距離平方成反比的萬有引力作用下天體按橢圓軌道運行的嚴格證明,胡克寫信向牛頓提出了這個問題。後來人們弄 清楚了,壹直到1685年,牛頓還沒有解決這個問題。1686年牛頓解決了它,並且在哈雷的催促下寫出了《自然哲學的數學原理》壹書。當胡克看到這本書稿 後,向牛頓提出把自己在這壹方面的研究成果提壹下,這個本來是合理的要求卻遭到了牛頓的斷然拒絕。牛頓向負責出版這本書的哈雷寫信說他不想給胡克任何榮 譽,而且稱在許多年前他就已經揭示了平方反比定律。指的就是1665年開始的蘋果樹下的思索。
老 年時的牛頓有壹段回憶說:“同年(1666年)我開始把引力與月亮軌道聯系起來,並找出了如何估計壹個天體在球體內旋轉時用來趨向球面的力的方法,……, 最後在1676和1677年之間的冬天我發現了壹個命題:利用與距離平方成反比的離心力,行星必然環繞力的中心沿橢圓旋轉,……。” 把牛頓的這段話與前面引的他與胡克的通信比較,可以看出在時間上是矛盾的。牛頓在這裏把他發現萬有引力的時間故意改寫在1679年與胡克通信之前,而且造 出蘋果神話,其目的顯然是為了要獨吞萬有引力這項成果。
牛 頓和胡克之間的梁子,不僅表現在對萬有引力發明權的爭議上,最早表現在胡克對牛頓的光的微粒說有不同的看法,因為胡克對光的本質是站在波動說壹邊的。 1675年,牛頓向皇家學會遞交了他關於光的第二篇論文,這篇論文又受到胡克的批評,並且說論文的壹些觀點是抄襲他的。這使牛頓無比憤怒,雖經皇家學會調 解,牛頓的怒氣未消,於1675年2月向胡克寫了壹封回擊的信。信中說了與蘋果故事流傳得同樣廣的壹句話:“如果我比笛卡爾看得更遠,那是因為我站在巨人 們的肩膀上。”許多人把這句話理解為牛頓的謙虛精神,其實它是對胡克的壹種諷刺和蔑視,完全不是人們望文生義的那回事。牛頓的原話是:“笛卡爾所做的是搭 了壹架好梯子,妳在很多方面都把梯子升高了許多,特別是把薄膜的顏色引入哲學思考。如果我看得更遠些,那是因為我站在巨人的肩膀上。” 牛頓不把胡克和笛卡爾看作巨人,牛頓也沒有攀登他們所搭的梯子,他是站在比梯子更高的巨人肩膀上。由於牛頓與胡克的這種過節,所以牛頓的《光學》著作要等 到1703年胡克去世以後才於1704年出版。
牛頓獨占了萬有引力的成果,還不足以解除對胡克的恨,當他於1703年被選為英國皇家學會的主席,就下令在皇家學會除去所有的胡克的肖像。所以當時英國許多著名的科學家中就是胡克的肖像沒有留傳下來。
2.對弗拉姆斯蒂德觀測數據的剽竊和盜版
最近英國人大維 克拉克等寫了壹本書 ,通過壹系列的來往書信和翔實的資料,專門揭露牛頓壓制、阻撓天文學家弗拉姆斯蒂德等人的研究並且剽竊他們的成果。
弗 拉姆斯蒂德(John Flamsteed,1646-1719)是英國首任皇家天文學家,是格林尼治(Greenwich)天文臺的創始人,是現代精密天文觀測的開拓者。他在 1676-1689年間***作了大約2萬次觀測,測量精度約為10",他對3000顆星的測量結果收入了著名的“不列顛星表”(Britannic Catalogue)。
1675年,弗拉姆斯蒂德被英國國王任命為皇家天文臺長,不過條件仍是十分艱苦,不僅得不到足夠的辦臺經費,連年薪100英鎊也經常拖欠。為了維持天文臺的經費,他不得不用額外招收學員的學費來補足,在繁忙的工作之外還要為140名數學學生教課。
1694 年開始,牛頓訪問了弗拉姆斯蒂德並且向他索要關於月球運動的觀測資料,此後牛頓為了驗證萬有引力理論,還多次寫信給弗拉姆斯蒂德索取資料,弗拉姆斯蒂德都 滿足了牛頓。弗拉姆斯蒂德1700年對他的朋友洛瑟普說:“〔牛頓〕曾壹度想使月球運行表符合他設想的定律,但是,當他開始將自己的定律與天體(即月球的 觀測位置)進行比較時,他發現自己錯了,並不得不全部拋棄自己的定律。我曾給他提供了二百個以上的月球的觀測位置,人們會認為這些材料足以限定任何理論; 既然他已修改了自己的理論,並把自己的理論調整到完全符合這些觀察,所以他的理論描述了這些觀察也就不足為奇了,但是,他還是為此而感激這些觀察,甚於感 激他關於引力的臆測,這些臆測曾使他犯過錯誤。”