牛顿的苹果|真的还是假的 ①

发布时间:2019-11-30 16:39:17 作者:匿名
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牛顿被苹果击中头部,发现了万有引力定律,这是我们年轻时最熟悉的故事之一,但现在它的真实性越来越令人怀疑。这是真的还是假的?他真的是第一个发现重力的人吗?让我们来看看牛顿与苹果的不解之缘。

牛顿的苹果故事是假的吗

牛顿看到苹果落下,发现万有引力的故事是每个人都熟悉的。在英国出版的文集封面上也用苹果来纪念牛顿的书《自然哲学的数学原理》出版300周年。牛顿家乡的苹果树也被移植到世界各地许多著名的学术机构。

图1。牛顿家乡故居(背景中的房子)附近的苹果树取自https://www.atlasobscura.com/articles/newton-apple-tree

然而,近年来,许多文章把这个故事归类为假故事。很多这样的文章可以在网上找到。例如,在一篇题为“那些误导我们的教科书故事——牛顿从未被苹果击中”的文章中,这个故事被提到如下:“伏尔泰虚构了牛顿和他的苹果。据说他听了牛顿的侄女的话。当然,牛顿在他所有手稿中都没有提到苹果。”

在另一篇题为“小学课本中的中国假故事:华盛顿砍树,牛顿被苹果撞倒都是假的”的文章中,牛顿的苹果故事与“爱迪生救了母亲”、“地震中的父子”等假故事结合在一起,接着写道:“牛顿的名言”如果我看得比别人远, 这是因为我站在巨人的肩膀上”曾经讽刺胡克(胡克是个驼背,身体扭曲的矮子),当时他和胡克为了发现万有引力定律的优先权而斗争,显示了牛顿卑鄙的个性”

牛顿的苹果故事真的像这些文章所说的那样完全错误吗?虽然流行于小学教科书和儿童书籍中的牛顿苹果故事有演绎元素(如苹果击中牛顿),但其基本内容来自历史文献。牛顿在他的作品中没有提到苹果的故事,但是人们一般不会在正式的科学作品中讲述他们的科学研究灵感来源,所以这本身并不奇怪。牛顿晚年时,一些熟悉牛顿的人讲述了牛顿苹果的故事。

这个故事最著名的叙述者是法国启蒙哲学家伏尔泰。关于牛顿对重力的发现,伏尔泰写道:“1666年,他退休到剑桥附近的乡下,有一天在他的花园里散步。当他看到水果从树上落下时,他陷入了对重力的沉思...导致重量下降的力是相同的。不管地下有多深,山有多高,都不会有明显的下降。为什么这种力量不会一直延伸到月球?如果这种力真的深入到月球深处,难道它不是使月球保持在表面轨道上的同一种力吗?”(《文学[1》,第66-67页)

伏尔泰的故事来自牛顿的侄女凯瑟琳·导管,她是牛顿同父异母姐姐汉娜·史密斯的女儿。她的丈夫约翰·导管,1688-1737年,是牛顿在皇家造币厂的助手,在牛顿死后继承了他的王位。这对夫妇死后被安葬在威斯敏斯特教堂牛顿墓旁。康迪特本打算写一本牛顿传记。他很早就开始记录牛顿的谈话,并收集其他人对牛顿死后的记忆。我们现在读到的关于牛顿的大多数轶事都来自他们当时收集的记录。

牛顿的家乡威廉·斯图克雷(1687-1765)是另一台录音机。斯图克利像牛顿一样毕业于剑桥大学。他多次参观巨石阵,并第一次做了详细的测量和记录。他成为考古学的先驱之一。他和牛顿有很多接触。牛顿一小时前上学的格兰瑟姆采访了许多认识牛顿的老人,包括牛顿少年时代的传奇女友文森特夫人。他收集了许多牛顿童年的轶事,并研究了牛顿的系谱。

1726年4月15日,在与牛顿的一次会面中,斯图克利后来写道:“他告诉我,在过去,重力的概念也是在同样的情况下进入他的脑海的。这是因为当他坐着沉思时,一个苹果掉到了地上。他心想,为什么苹果总是垂直落地,为什么它总是跑到地球的中心,而不是侧向或向上?事实上,原因是地球吸引苹果。物质必须有吸引力,地球的全部吸引力必须指向地球的中心,而不是地球的任何一边。所以这个苹果垂直向地球中心落下。如果物质如此有吸引力,吸引力必须与物质的数量成比例。因此,苹果吸引地球就像地球吸引苹果一样。有一种力量,就像我们这里所说的重力一样,延伸到整个宇宙。”【2】

此外,牛顿的另一个朋友,数学家德·莫瓦(亚伯拉罕·德·莫瓦,1667-1754),虽然他没有提到苹果,但他提到牛顿在1666年在花园里思考时提出了万有引力的想法([3号文件,第154页),这与其他人基本一致。

万有引力的发现

虽然苹果的故事不是假的,但这是否意味着牛顿在看到苹果后立即发现了万有引力?这就把我们带到了牛顿和胡克关于万有引力发现的贡献的辩论中。

罗伯特·胡克(1635-1703)是英国皇家学会的创始人之一,显微镜的发明者和胡克弹性定律的发现者。早在1662年,他和另一个皇家学会的创始人之一克里斯托·莱伊恩(1632-1724)讨论了行星是如何在其轨道上运动的。他猜测太阳和行星有吸引力,这种吸引力可能会随着距离的增加而减小。他还设计了一个简单的实验来检查重力是否随高度而变化。

胡克贤用天平准确地称出了一个铁球和一根绳子的重量之和,然后爬到大教堂的顶部,用绳子把铁球挂了下来。与此同时,他用天平称了称,看看总重量在这种情况下是否发生了变化,[4]。当然,这个实验的准确性不足以检测出任何差异。1666年,他在皇家学会(Royal Society)上读了一篇论文,1674年,他出版了《证明地球运动的尝试》(A Test to Protect the Motion of the Earth),提出所有天体都有一种指向其中心的引力,这种引力不仅吸引了自身的所有部分,使它们不会散开,还能吸引位于其作用区域内的其他天体;物体在没有外力的情况下沿直线运动,只有在外力的影响下,它才能偏离直线而沿曲线运动。胡克还提出,物体太阳和行星之间的力随着距离的增加而减小,但在这本书里,他不确定定律是什么。

1684年1月,天文学家埃德蒙·哈雷、胡克和瑞安在皇家学会的一次会议上讨论了行星运动的问题。根据开普勒行星运动的第三定律,哈雷假设行星的轨道是圆形的,并推断行星受太阳的引力与距离的平方成反比。然而,因为行星的实际轨迹是椭圆而不是圆,他不能真正证明这一点。胡克声称,在这种情况下,他可以证明行星的轨迹是椭圆形的,但他不打算立即宣布,因为“人们不会知道这种证明的难度”,但他们不相信胡克的说法。

同年8月,哈雷来到剑桥,遇到了牛顿。在与牛顿讨论了其他一些问题后,他问牛顿,如果这颗行星被太阳吸引,并且它的重力与距离的平方成反比,它的轨道是什么。牛顿回答说这是一个椭圆,并说他已经完成了计算。哈雷听到这个消息欣喜若狂,并要求牛顿提供证据。牛顿说他找不到给出计算的论文,但同意再写一篇。

1684年11月,牛顿的委托人给哈利带来了一篇9页的论文,题为《轨道上物体的运动》(拉丁文de motu corporum in gyrum),在这篇论文中,他证明了一个遵循开普勒运动定律的物体受到指向椭圆焦点的力的作用,该力与距离的平方成反比,并且还证明了一个物体在逆平方力条件下最常见的运动轨迹是圆锥曲线。

图2 .牛顿的《自然哲学的数学原理》第一版

哈雷立即动身去剑桥会见牛顿,并请牛顿发表这篇论文。然而,牛顿在写作中发展了极大的热情,并不断扩展他的内容。他从一部简单的专著变成了一部三卷本的巨著《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》),这部巨著全面阐述了整个力学。这本书直到1687年才完成。

胡克的辩论

牛顿在1686年完成这本书的第一卷后,哈雷在皇家学会的一次会议上介绍了这本书。这时胡克站起来,指责牛顿剽窃他的观点,声称他首先提出重力与距离的平方成反比的观点。这将从两者之间的交流开始。

1671年,牛顿因发明反射望远镜而被接纳为皇家学会成员。1672年,他向社会发表了一篇关于光学的论文,在论文中他做了一个著名的用三棱镜分解白光的实验,并提出了他的颜色理论和光的粒子假说。胡克没有仔细阅读和理解牛顿的论文,匆忙写了一篇批判性的文章,这让牛顿非常生气。他花了很多时间写了一篇驳斥胡克的文章,该文章在1676年1月的皇家学会会议上被学会秘书奥尔登堡公开阅读。

由于奥尔登堡和胡克之间关系不佳,胡克认为奥尔登堡有意在两人之间挑拨离间,于是他直接写信给牛顿,表达了他对和解的渴望。牛顿在回复中也说了一些欢迎的话。牛顿经常引用的“如果我看得比别人远,那是因为我站在巨人的肩膀上”出现在这个回答中,这实际上是引用自12世纪哲学家宪章。正如一些人怀疑的那样,这句话不太可能是对胡克的蓄意讽刺,因为它发生在引力争端之前,两人试图和解。而且,这段话之前的两句话是“(笛卡尔在光学上迈出了很好的一步,而你(胡克)在几个方面增加了很多,尤其是将电影色彩引入哲学”,这显然是对胡克的一种恭维。

奥尔登堡于1679年去世后,胡克成为皇家学会的秘书,并主动给牛顿写信。这封信列出了牛顿观点的许多学术问题,特别是他的“试图证明地球的运动”理论,即行星运动受引力的影响,引力随着离太阳距离的增加而减小。牛顿没有逐一回答,但由于《证明地球运动的尝试》提出通过观察一年内恒星的视差变化来证明地球绕太阳公转,牛顿在给胡克的回信中提出了一个证明地球自转的实验。他指出,如果一个物体从高处被释放出来并被允许自由下落,由于高处的线速度实际上比低处的线速度快,它实际上会下落到东边的一点,这可以作为地球自转的实验证明。

然而,牛顿不知道是什么原因,他画了一幅画,假设地面不存在,物体继续从地面坠落。它的轨迹沿着螺旋线到达地球中心(图3a)。这是一个严重的错误,立即被胡克抓住了。胡克回答说,坠落的物体应该像一颗行星,它的轨迹应该是椭圆形的(图3b)。牛顿在第二次回答中承认轨迹不应该是螺旋,但他指出,在力是常数的条件下,形成的图形与图3c相似。胡克回答说,他假设力应该与到中心的距离的平方成反比。然而,牛顿没有回答。

图3 .牛顿信中给出的螺旋线,胡克提出的椭圆,牛顿讨论的恒力运动轨迹(参考[3中引用了该图)

胡克指责牛顿剽窃,并认为牛顿的重力平方反比关系来自他自己,基于这种对应关系。但是根据牛顿苹果的故事,牛顿早在1666年就考虑到了重力,发现它与距离的平方成反比,所以它与胡克无关。当然,也正因为如此,一些人怀疑牛顿发明这个故事是为了证明他的优先权。

牛顿的苹果|是真还是假(2) [1]伏尔泰,《哲学快报》,转。阎素伟,商务印书馆,2018。

[2]威廉·斯图克雷(William Stukeley),伊萨克·牛顿爵士生平回忆录,引自泰伦·江翻译的五种牛顿传记,商务印书馆,2007年。

【3】理查德·s·韦斯特法尔,《永不停歇》,艾萨克·牛顿传记,第154页,剑桥大学出版社,1980年。

[4]牛卫星,“天体文学史——人类认识宇宙及其自身历史的历史”,上海交通大学出版社,2011年。

【5】issac newton, the principia--mathematical principles of natural philosophy, translated by i. bernard cohen

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