⽜顿:不论科学还是神学,我都会出⼿

作者: Sarp

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-12-13 11:49:17

艾萨克·⽜顿是英国著名的物理学家、数学家和天文学家,他在微积分、运动学、光学和引⼒⽅⾯做出了⾰命性的发明和发现,提出了万有引⼒定律和⽜顿三⼤定律,彻底改变了物理学。尽管他在科学上取得了巨大成就,但他的⼀⽣中也充满了对神学和炼⾦术的痴迷,这些兴趣甚至影响了他的科学研究进程。

艾萨克·⽜顿,《书与⼈的轶事、观察与性格》

苹果落地或许很寻常,但从中发现引⼒却只有天才才能做到。如果说今天的我们站在了巨⼈的肩膀上,那么,或许⼀切的开端就是⽜顿的那句“为什么”。

艾萨克·⽜顿于1642年出⽣在英格兰伍尔索普的⼀个贫苦农家。他的⽗亲是⼀个富裕的农场主,但英年早逝后家道中落。作为⼀个遗腹⼦,⽜顿继承了⽗亲的名字。艾萨克这个名字源于希伯来语(Yitzhak),意思是“笑的⼈”或“快乐的⼈”。在《圣经·旧约》中,艾萨克是亚伯拉罕的⻓⼦。

从12岁到17岁,他在药剂师威廉·克拉克手下⼯作。在这⾥,他对化学和它的伪科学炼⾦术都产⽣了兴趣。许多⽜顿的传记作者都指出,正是从克拉克身上学到的东⻄激发了⽜顿对化学的兴趣。

他还在格兰瑟姆的国王学校学习拉丁语。最初他表现很差,但他在短时间内提⾼了成绩。他设计了⼀个⽇晷,在学校⾥出了名。他所做的⼀切都是为了向那个欺负他的校霸证明⾃⼰的实⼒。这件事实际上是他整个⼈⽣的⼀个写照。不打败所有挑战他的⼈,他是不会罢休的。

1661年,⽜顿顺利从中学毕业,进⼊英国剑桥的三⼀学院学习。在这时,⽜顿还籍籍⽆名,他还没有取得真正的成功。和他在⼤学⾥的同学们⼀样,他并不仅仅局限于亚⾥⼠多德的学说。他还研究了现代物理学家和数学家——如哥⽩尼、伽利略和开普勒——的理论。

在三⼀学院的四年⾥,⽜顿对数学和物理的兴趣迅速增⻓。特别是当时天⽂学领域还处于起步阶段,但⽜顿的⼏何知识不⾜,不⾜以理解恒星的运动。因此他去买了欧⼏⾥得的传奇著作《⼏何原本》。

在这期间,他继续快速地充实⾃⼰。特别是,他对光学的兴趣与⽇俱增。在他每天都泡在实验室观察光线时,当时发⽣了⼀件相当糟糕的事情:1665年⿊死病席卷伦敦,这⽆意中为他最著名的⼀个⻅解奠定了基础。

没有可靠的资料记载苹果确实掉在了⽜顿的头上,但是⽜顿的观察使他思考为什么苹果总是直直地落在地上(⽽不是向侧⾯或向上),并启发他最终提出了万有引⼒定律。尽管如此,他还是花了近20年的时间才把这个想法变成⼀个成熟的理论。

⽜顿认为这种引⼒与地球和苹果⽆关。事实上,天空中所有的天体都应该表现出这种⼒。然⽽,有⼀个⼩问题:那时的数学还不能解释这些运动。因此,⽜顿发展了他⾃⼰的数学,也就是我们所知的微积分,并因此成为最早的理论物理学家之⼀。

1666年,23岁的⽜顿在微积分、运动学、光学和引⼒⽅⾯做出了⾰命性的发明和发现,但他并未发表过其中任何⼀项。这⼀年也被称为⽜顿观察到苹果落下的⼀年。

与此同时,⽜顿开始挑战经验主义的界限。他甚⾄⾛得更远,有⼀次他把⼀根⻓⽽钝的缝⾐针插进眼睛和⻣头之间的眼窝⾥,记录下在研究光线时看到的彩⾊圆圈和其他视觉现象。

此外,他还⽤镜⼦发明了历史上第⼀个反射望远镜——⽜顿望远镜。因此,⽜顿能够更好地跟踪天空中的物体,从⽽揭示它们的运动规律。由于所有这些成就,他在1669年取代艾萨克·巴罗成为剑桥⼤学的卢卡斯数学讲席教授。

1671年,他发表了⼀篇论⽂,指出⽩⾊是其他颜⾊的混合物,颜⾊是由⽩光折射形成的。当时,⼈们认为颜⾊是光明和⿊暗的混合,棱镜使光线上⾊。罗伯特·胡克是这种颜⾊理论的⽀持者。胡克在他的⽂章中严厉批评⽜顿和他的⽅法未能很好地解释实验⼯作。同时,科学界的这些批评是⽜顿多年来迟迟不发表他关于万有引⼒的观点的主要原因。

⽜顿远离了科学研究,由于他保守的家庭背景,他开始痴迷于解开圣经的秘密。

⽜顿拒绝接受基督教“圣⽗、圣⼦、圣灵三位⼀体”的理论。对他来说,这是魔⻤的谎⾔。然⽽,他所任职的三⼀学院就是以这⼀理论⽽得名。这迫使他多年来将⾃⼰的宗教信仰和作品隐藏起来。虽然⽜顿出⽣在⼀个圣公会家庭,也是⼀个虔诚但⾮正统的基督徒,但在他三⼗多岁的时候,如果他公开⾃⼰所持有的基督教信仰,就不会为主流基督徒接受。他寄给约翰·洛克的⼀份质疑三位⼀体的⼿稿从未出版。

在⼀封写于1704年的信中,可以看到⽜顿将世界末⽇的⽇期定为2060年。来源:耶路撒冷希伯来⼤学2002年底,⼈们发现了⽜顿的⼀张⼿稿,上⾯计算出了世界末⽇的年份。在他根据宗教⽂献进⾏的复杂计算中,⽜顿选择了公元800年作为⼀个重要的⽇⼦。这是“神圣罗⻢帝国”的成⽴⽇期。在这⼀天,他加上了经过复杂计算得到的数字1260,得到了2060年。

在耶路撒冷希伯来⼤学展出的1704年的⼀封信中,⽜顿描述了他的“发现”:所以可以估算时间。按12个⽉为⼀年、30天为⼀个⽉的原始历法计算,半个周期是42个⽉,或者说1260天或三年半。天上⼀天,⼈间⼀年。如果从公元800年三个王国被完全征服算起,世界末⽇将会在公元2060年到来。世界可能会晚些毁灭,但我看不出有什么理由会早⼀点结束。

他⾮常重视神学,直到他去世,神学占他著作的27%。这个⽐例远远⾼于他写的数学、天⽂和物理书籍。

在他的书中,⼏乎有10%的篇幅是关于炼⾦术的。事实上,如果⽜顿没有因为胡克⽽变得内向,也许他就不会接触那么多炼⾦术、化学和神学。在这些领域所耗费的精⼒使得他完成引⼒理论的时间推迟了。

⽜顿并不是理性时代的第⼀⼈。他是最后⼀个魔法师,最后⼀个巴⽐伦⼈和苏美尔⼈,最后⼀个伟⼤的头脑,他⽤同样的眼睛看着可⻅的和知识的世界,就像那些⼀万年前的先哲⼀样。

他那些不科学的⼯作⼏乎让他英年早逝。事实上,⼈们认为他在追求通过炼⾦术改变元素时遭受了汞中毒。他开始有了⾮常严重的精神问题。

事实上,如果不是天⽂学家埃德蒙·哈雷在1684年拜访了⽜顿,我们今天可能只知道⽜顿是个普通的科学家。哈雷把⼤部分时间花在⽉球观测上,但他对引⼒问题也很感兴趣。引起他注意的⼀个问题是开普勒⾏星运动定律的证明。哈雷来问⽜顿为什么⾏星的轨道是椭圆⽽不是圆的。

1684年8⽉,他去剑桥与⽜顿讨论这个问题。这次访问将⽜顿从他的狂热崇拜中解放出来,使他再次转向科学,回到他的⽣活中。

为了避免落后于科学界,⽜顿出版了《原理》,在这本书中,他列出了著名的⽜顿三⼤定律,这些定律将彻底改变物理学,他还解释了⾃⼰的微积分和万有引⼒。⽜顿在1687年⾸次发表了万有引⼒原理,该原理指出,宇宙中的每⼀个物体都被另⼀个物体吸引,这种引⼒与它们的质量乘积成正⽐,与它们之间距离的平⽅成反⽐。因此,我们所知的经典⼒学这⼀物理学分⽀正式诞⽣了,这是物理学的⼀场⾰命。

罗伯特·胡克在《原理》出版后开始给⽜顿写信,他的批评使⽜顿退缩到⾃我中。胡克声称,他⽐⽜顿早⼏年发现了万有引⼒,因此应该在《原理》中引⽤。胡克正在犯他⼀⽣中最⼤的错误。

英国皇家学会本来悬挂有胡克的⼀幅肖像,但⽜顿毁了它。因为⽜顿的贪婪,我们今天不知道罗伯特·胡克究竟⻓什么样。直到他去世三个世纪后,⼈们才了解他的重要性,历史学家开始称这位多才多艺的天才为“英国的列奥纳多·达·芬奇”。

在艾萨克·⽜顿爵⼠375周年诞⾠之际,英国皇家造币⼚推出了向他致敬的贵⾦属纪念币。艾萨克·⽜顿爵⼠(1642-1727)是17世纪科学⾰命中最重要的⼈物。

当时,英国硬币很容易被伪造,国家正处于⾦融危机之中。⽜顿对炼⾦术的兴趣在这⾥派上了⽤场。事实上,1696年春天,在财政⼤⾂查尔斯·蒙塔古的推荐下,⽜顿被任命为皇家造币⼚的⼚⻓。⽜顿修正了货币的重量等特征,让英国松了⼀⼝⽓。

由于这些成就,他继续担任铸币⼚管理者,直到去世。我们今天称⽜顿为“爵⼠”不是因为他在科学上的成就,⽽是因为他在造币⼚的职位。尽管这些成就为他打开了皇家学会的⼤⻔,但事实上,⽜顿⼜⼀次远离了科学。他⼜对神学产⽣了浓厚的兴趣,认为⾃⼰是在把先知的年龄加起来计算世界的年龄。他甚⾄声称这个计算⽐他的许多发现都重要。

此外,⽜顿对权⼒和名声也⼗分痴迷。

与此同时,莱布尼茨被皇家学会指控抄袭。然⽽,当时⽜顿即将成为皇家学会主席,对莱布尼茨的指控绝⾮公正。更奇怪的是,⽜顿⾃⼰准备了剽窃指控的报告。

1712年,⼈们认定⽜顿是微积分之⽗。今天,⼈们普遍认为这两⼈是各⾃独⽴地发现微积分的。⽜顿死前的最后⼀个错误就是得了Fomo(错失恐惧症,Fear of missing out)。

当时,英国与法国达成协议,英国免除对⽅债务,并在南海建⽴了南美的航运垄断公司。这个被称为南海公司的垄断公司将股份提供给英国国债的持有⼈,来抵扣政府债券。⽜顿也是购买该公司股票的⼈之⼀,事实上,他的股票在很短的时间内增⻓了⼗倍。⽜顿抓住这个机会卖掉了他的股份,赚了⼀百万美元。然⽽,由于股价在出售后继续上涨,⽜顿担⼼错失赚钱机会,也就是所谓的fomo,这促使他在股票处于创纪录⾼位时购买了更多。

这是⾦融史上最早的经济泡沫之⼀,被称为南海泡沫。泡沫破裂后,⽜顿的损失远远超过他之前的收益。⽜顿⽆法接受⾃⼰的失败,那天他说:我能计算天体的运动,却⽆法计算⼈的疯狂。

当艾萨克·⽜顿于1727年3⽉20⽇去世时,他留下了超过800万字的⼿稿。他是第⼀个葬在⻄敏寺的科学家。⽜顿死后,⼈们检查了他的头发,发现他的头发中含有汞,这可能是他追求炼⾦术的结果。

在⽜顿的⼀⽣中,成就与抱负之间的细微差别是显⽽易⻅的。如果没有哈雷,也许他会沉迷于炼⾦术和神学。但他现在确实就是物理学之⽗。

⾃然和⾃然法则隐在暗夜中。上帝说,让⽜顿去吧!——于是⼀切就充满光明。

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