牛顿的苹果如何落地——万有引力定律

　　1642年注定要成为科学史上不平凡的一年。这年初，科学巨星、近代力学之父伽利略陨落；而这年岁尾，另一颗科学巨星牛顿却在英国升起。这是一颗更加灿烂的明星，科学史上千年一遇的巨人。他在天文学、力学、光学和数学上都取得了开创性的成就，为科学史开创了一个牛顿时代。1642年12月25日，艾萨克·牛顿出生在英国林肯郡，是一个小农的遗腹子牛顿出世时，给他接生的接生婆说：“咳！这么一个小不点儿，我简直可以把他塞进一只杯子里去。”这就是命运之神把一个叱咤风云的思想家介绍到世界上来的那种开玩笑的方式。由于母亲再嫁，从两岁起，他就与年迈的外祖母过着贫困孤苦的生活。在小学时他就非常爱科学，经常制作一些灵巧的小机械，如水钟、风筝和日晷等。他的兴趣很广，时而做诗，时而绘画。他是一个意志坚强的孩子。因为经济困难，14岁就离开学校回家务农。劳动之暇，他独自躺在草地上聚精会神地钻研数学。牛顿的舅父是剑桥大学三一学院成员，发现牛顿热爱科学，很有钻研精神，就帮助他重新回到学校读书。1661年，牛顿18岁，作为公费生进入剑桥大学学习。剑桥是英国最古老、最有威望的大学之一。这是一所思想比较自由、学术气氛浓厚的高等学府。他在这里学习数学、天文学和物理学。读到三年级时，一位游历过欧洲大陆的学者巴罗来剑桥担任“鲁卡斯讲座”的首任教授，给剑桥带来了科学的新曙光。他向学生介绍哥白尼、开普勒、伽利略和笛卡尔等人的先进思想、科学理论以及研究方法，使牛顿大开眼界。巴罗发现牛顿的才华，举荐牛顿为研究生，让他继续在剑桥深造。1665年秋季到1667年春季期间，伦敦市区瘟疫流行，各校停课，学生被遣散回家。牛顿也回到农村老家住了18个月。表面看来，牛顿隐居穷乡僻壤田舍山庄之中，但他的头脑正掀起科学革命的巨浪，成为牛顿一生划时代的创造的岁月在这期间，23岁的牛顿首先发现了数学中的二项式定理，然后建立微分学，第二年又建立积分学：他用三棱镜研究光学，发现了白光的组成，还考虑过引力问题。1667年，牛顿回到剑桥大学三一学院继续其学业，于1668年得到硕士学位1669年，由巴罗推荐，任剑桥大学教授，接替巴罗担任了鲁卡斯讲座的第二代教授职务。这时，牛顿年仅27岁。可以这样认为，如果没有舅父和巴罗教授的热情帮助，牛顿这匹千里马就不可能驰骋在科学的大道上。牛顿在剑桥大学讲授的第一门课程是光学，他公开发表的第一篇论文也是研究光色来源的。牛顿对光学有着经久不衰的浓厚兴趣。早在1668年，他就亲自设计并动手制作了一架反射望远镜模型。这架望远镜虽然不大（长6英寸，直径1英寸），但是却可以放大40倍，能够清楚地看到木星的4个卫星和金星的盈亏现象。这架反射望远镜的观测效果，大大超过了同样大小的折射望远镜。英国皇家学会极为赞赏，并要求他正式做一架。于是牛顿在1671年制造了一架更大的反射望远镜。同年秋天，这架当时世界上最好的望远镜又被送给了英国皇室，受到赞扬。这架望远镜至今被作为珍品保存在英国皇家学会，上面标着“牛顿爵士亲手所造的世界上第一架反射望远镜”的字样。由于反射望远镜的发明，牛顿被提名为英国皇家学会的候补会员。不久，于1672年1月，又被推选为正式会员。牛顿的第一篇论文《关于光和色的新理论》就是这一年在《皇家学会哲学杂志》上发表的。在这篇论文中，不仅总结了他在光学方面所进行过的实验结果，更为重要的是提出了光的本质问题。牛顿认为，光是与以太相互作用而产生波的高速度粒子流。这种见解，在光学史上称为“微粒说”。牛顿对光学的发展作出了巨大的贡献。后世科学家评论说：“单凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。当然，牛顿最重要的成就并不是在光学上，而是发现了万有引力定律。它的发现是牛顿力学的最高成就。自从开普勒发现行星运动三大定律之后，许多科学家都在探索行星遵循三大定律运行背后的原因。牛顿自然也不例外，并且有证据证明，早在166-1666年躲避瘟疫隐居家乡期间，他就已经思考过天体的引力问题。牛顿那个几乎妇孺皆知的“苹果落地”的故事就发生在那期间。1666年秋天的一个傍晚，牛顿坐在花园的苹果树下，正在考虑一个运动的问题。忽然一只熟透的苹果掉了下来，正好落在牛顿的前面。这只苹果引起了牛顿的注意。他想，苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引离地面这么高的苹果树上的苹果，那它也肯定在吸引着月亮。于是，牛顿就发现了万有引力定律。至今在剑桥大学三一学院的博物馆中，还保存着那棵苹果树的一段树干，作为纪念当然，这仅仅是一个故事而已，肯定存在着后人的夸大渲染。如果单凭苹果落地，牛顿一下子就发现了万有引力定律，那成为一个科学巨匠也太容易了。牛顿自己就曾说过，万有引力定律是“不停地思考”的结果。不过，苹果落地触发牛顿对引力的思考，这是完全可能的。在长时间的思考中，牛顿逐渐认识到，地球吸引地球表面物体的力（如吸引苹果落地的力），与地球吸引月球的力，以及太阳吸引行星的力，是同一种力。这种力是任何物体、任何物质都有的，因而是万有的。这是人类认识上的一个重大飞跃。后来，牛顿又通过对地球对月球的引力研究，发现了地月间的引力与其距离平方反比的关系，并认为，这一引力并非磁力，本质上就是重力。不过，牛顿对引力的这些研究结果一直没有发表，直到多年后的80年代才重新提出。这一点颇令人费解，据后来科学史家考证，主要的原因是牛顿无法肯定天体的全部质量是否集中在其中心，这样也就无法确定两个天体之间的距离精确值。虽然在一般天体情况下，这一点影响并不大，但牛顿是一个非常谨慎的人，对此他是不会贸然下结论的。后来，在1685年他的微积分创立后，这问题才得完满的解决。这样万有引力定律也才完美地提出来。然而，让牛顿烦恼的是，万有引力定律却引来了一场关于其首创权的争议，牛顿被指责剽窃他人研究成果。