牛顿的苹果

  ・方舟子・

  我们从小就听说过这个故事。有一天牛顿在一棵苹果树下休息,一个熟透的苹果掉下来,砸到牛顿的头。牛顿恍然大悟,苹果落地是受到地球引力的吸引,月亮围绕着地球转也是受到地球引力的吸引,行星围绕着太阳转是受到太阳引力的吸引……任何物体之间都会有引力相互吸引,他把这叫做万有引力。牛顿因此发现了万有引力定律。

  这称得上是科学史上最重大的恍然大悟,如果这个故事是真的话。那么这个故事是真的吗?如果牛顿当时把它写下来,那当然是可信的。但是牛顿留下的手稿里并没有关于这个故事的任何记载。我们只能去找二手的材料。

  最早把这个故事写下来发表的,不是英国人,而是法国哲学家伏尔泰。他在牛顿逝世那年(1727年)写的一篇文章中提到,牛顿在他的花园里散步的时候,看到一个苹果从树上掉下来,第一次想到了引力理论。当时伏尔泰虽然人在伦敦,但是并没有见过牛顿,所以他不是从牛顿那里听说的这个故事。1733年,伏尔泰再次提到这个故事,但是只是泛泛地说牛顿看到了一个果实从树上掉下。不过这 回他提到他的消息来源,是从牛顿的外甥女凯瑟琳・巴顿那里听来的,已经转了至少一道手。

  凯瑟琳・巴顿的丈夫约翰・康丢特是牛顿当王家造币厂厂长时候的助手,在牛顿的晚年与牛顿关系密切,住在一起。在牛顿死后不久,在1728年间,康丢特 写了一份手稿,讲述牛顿在剑桥时的事迹。手稿里面提到,1666年,由于黑死病流行剑桥大学关闭,23岁的牛顿回到他母亲在林肯郡的家。牛顿在花园中沉思的时候想到,让苹果从树上落地的重力不限于地球上,一定能延伸得更远,一直延伸到月球,如果这样的话就会影响到月球的运动,让月球保持在它的轨道上运转。在康丢特的叙述中,牛顿并没有看到苹果落地,而只是联想到苹果落地。

  康丢特没有说他的信息来源。由于康丢特是牛顿晚年最亲近的人之一,他可能是亲耳从牛顿那里听来的。也可能是从牛顿晚年的好友、《自然哲学的数学原理》第三版编辑亨利・彭伯顿那里听来的,他在手稿中提到了彭伯顿在1728年出版的《牛顿爵士的哲学观》一书前言,但是彭伯顿在该书中只是说牛顿于1666年 在花园中独坐时想到引力问题,没有说见到苹果落地。

  牛顿生前好友威廉・斯塔科利倒是说了他亲耳听到牛顿跟他讲了苹果的故事。1752年,斯塔科利出版了《牛顿生平回忆录》,里面谈到,在1726年4月15日 (牛顿死前前一年),他拜访牛顿。吃完晚饭后,他们坐在花园的苹果树下喝茶。在交谈中,牛顿说,就是在这样的场合,他从苹果落地开始想到引力的概念:为什么苹果总是垂直地落到地上,而不是向上、向侧或倾斜地掉落?由此他发现了万有引力定律,并将它运用来解决天体运行的问题,破解了宇宙之谜。

  所以至少有两人从牛顿那里听说了苹果的故事,只不过牛顿并没有说他被苹果砸到――这个戏剧化的版本是后来在流传过程中被添油加醋改编出来的。牛顿并没有提到是哪一棵苹果树,不过他母亲家的花园里只有一棵苹果树,它就被当成了那棵给牛顿带来灵感的圣树。这棵苹果树在1816年被大风吹倒,重新种植后一直活到现在,成为英国的国宝。

  有牛顿的亲口讲述,有树为证,至少这个故事的简单版本――牛顿看到苹果落地而不是被苹果砸到――应该是真实的吧?未必。从牛顿据称看到苹果落地,到他开始向别人讲述这个故事,60年已经过去了,而在这60年里,并没有牛顿讲这个故事的任何记录。如果这个故事对牛顿研究万有引力定律如此重要,为什么他要沉默60年,到快死了才开始向别人讲述?

  据说是苹果垂直落地让牛顿联想到了地球存在引力,但是从古希腊时候起,哲学家、科学家们就都认为地球存在引力,才会吸引东西掉到地上,牛顿并不需要通过看到苹果落地重新发现引力。发现万有引力的关键,不在于知道地球存在引力,而在于由此联想世界万物都存在引力,而这是从苹果落地联想不出来的。从牛顿声称他见到苹果落地发现了万有引力,到他在1686年写成《自然哲学的数学原理》首次发表万有引力理论,已经过了20年。既然在看到苹果落地的时候就已经恍然大悟了,为什么还要研究这么长的时间才发表呢?

  按照牛顿自己在1712年写的一份手稿的回忆,他在1666年发现了万有引力定律之后,就立即用它来计算月球的运行轨道,发现结果“非常好”,那么为什么当时不发表?按照彭伯顿、康丢特的说法,当时牛顿的计算结果其实并不好。这个计算需要用到地球的半径,但是当时牛顿困在母亲家中,身边没有关于地球半径准确数据的资料,只是采用了以前地理学家和海员用来估计地球半径的一个粗糙数据,即1纬度等于60英里,算出的结果与预想的差别太大,牛顿认为除了地球引力还有别的因素在影响月球轨道,就没有再继续研究下去。

  彭伯顿、康丢特的说法比牛顿自己的回忆可能更接近事实,但是同样让人疑惑。1667年牛顿回到剑桥之后,已有条件查到关于地球半径更准确的数据(当时的数据是1纬度等于69.5英里),但是牛顿并没有重新进行计算。牛顿很显然知道这个更准确的数据,他在1672年编辑的一本地理学著作中就有这个数据。1672年,牛顿被选为王家学会会员,在牛顿参加的会议上,王家学会宣布测量地球半径的一个重大进展:法国天文学家皮卡最近测得1纬度等于69.1英里。康丢特说牛顿获悉皮卡的测量结果后,就重新用万有引力公式计算月球轨道,得到了预想的结果。一般人也会预料牛顿这么做。然而牛顿其实并没有。彭伯顿说是胡克的一封信才让牛顿重新想起研究万有引力的问题,而这距离皮卡的发现又过了7年之久。

  胡克对引力的研究轨迹倒是都有论文为证。他在1666年曾在王家学会宣读过一篇研究引力的论文,1674年发表论文详述他对引力的研究,提出了关于引力的三条假设,实际上就是定性描述了万有引力定律。1679年,胡克写信代表王家学会向牛顿约稿时,进一步提到引力的大小与距离的平方成反比。这就是彭伯顿说的那封信。也因为这封信,胡克在《自然哲学的数学原理》发表后,向王家学会指控牛顿的万有引力定律是剽窃他的。牛顿则说,他本人早在大约20年前(1666年)就发现了这一定律,并写信告诉了他人,并不需要从胡克那里获悉。后来牛顿勉强承认胡克的信刺激了他重新研究引力问题,并且承认胡克告诉了他一些他不知道的实验结果。做为妥协,牛顿提出在《数学原理》的有关部分加一条注解,说明引力反比定律也被雷恩、胡克和哈雷独立地发现。

  1665~1666年牛顿被困在母亲家中那一年,被称为牛顿的奇迹年。他研究、解决了当时物理学的各个重大问题,包括发现运动定律和太阳光是混合光。天体运动问题是当时备受关注的物理学最重大问题之一,很难想像牛顿会不研究这个问题,而且对他来说,一旦研究这个问题,发现引力公式并不难,毕竟还有好几个人也独立发现了。他没有必要从苹果落地才受到启发。所以牛顿说他在1666年 就已经发现了万有引力定律,很可能是事实。然而同样是事实的是,他没有发表其发现,此后他对引力问题的研究沉寂了十多年。也就是说,即便牛顿曾经因为看到苹果落地而开始研究引力问题,那么研究结果也被他自己否定掉了,对他在十几年后重新发现、发表万有引力定律没有关系,苹果落地对其研究万有引力所起的作用,还比不上十多年后胡克的一封信。

  那么为什么牛顿要在晚年向人讲述这个不知真假的苹果故事?此时的牛顿虽然早已功成名就,被公认为最伟大的科学家,获得了神一般的地位,但是早年被胡克指控剽窃的阴影并没有就此消除。通过这个苹果故事,他可以表明自己发现万有引力定律与胡克无关。但是这个故事很可能还有更深层的涵义。牛顿是一个有很深的宗教情怀和神秘感的人。例如,尽管太阳光通过三棱镜折射后人眼一般只能分辨出六种颜色,但是牛顿坚持认为有七色,因为“七”是一个神秘数字,重要天体有七个,一星期有七天,音符有七个,那么色彩也应该有七种。同样,在西方文化中,苹果是一种神秘的果实,是伊甸园神话里上帝禁止人类品尝的智慧树的禁果。看到苹果落地而发现万有引力定律,就有了一种天降大命于斯人的神圣光环。人越老越需要这种光环。牛顿的这个故事无疑讲得非常成功。今天大部分人都不会记得万有引力公式,但是几乎无人不知有一个苹果砸到牛顿的头,世界因此而不同。

  文献:

  John Conduitt, Draft account of Newton’s life at Cambridge.
  Henry Pemberton, A view of Sir Isaac Newton’s philosophy.
  William Stukeley, Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life.

  2016.4.25.

(《科学世界》2016.6.)

(XYS20160613)

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