开普勒发现行星运行三大定律之后,对行星运行规律背后的原因的研究,成为了当时关注的热点。胡克也投入了对这一问题的研究,在研究中他首先受到吉尔伯特的启发。吉尔伯特在《论磁》中,根据地球是个大磁石的认识,设想行星运行是宇宙闻的磁力起作用的结果。
据此胡克认为,行星绕太阳公转的力来自太阳,是太阳的引力使行星的运行轨道发生弯曲,并使彗星的轨道在太阳附近也发生弯曲。这种引力与地面上的重力性质相同,它们都与磁力相类似,是随着物体之间距离的增加而减小的。
1674年,胡克发表《从观察角度证明地球周年运动的尝试》一文。在该文中,他根据惠更斯的物质圆周运动的向心力定律和开普勒的行星运动第三定律,提出要在一致的力学原则基础上,建立一个宇宙学说,并提出了关于天体引力问题的三个假设:任何天体都有一种朝向自身中心的引力;所有物体只要它们作一个方向的简单运动,都将保持其直线运动状态,直至受到其他有效的力的作用方可改变其运动轨道,虽然天体在不受外力作用下,其轨道不变;离引力中心越近,引力越大。胡克在这里提出的三条假设,实际上已经包含了有关万有引力的基本问题,但缺乏数学的定量表述和论述。
1677年,胡克在实验中发现了引力,并对天体的相互吸引做了相当明确的解释。他指出:“我推测,我们所居住的宇宙的中心太阳,对所有星球和地球产生了一种吸引力,使它们围绕太阳运动;同时,这些星球中的任何一个又会产生一种相应的作用力。”同年,胡克又得出了太阳对行星的引力与它们之间的距离平方成反比的关系。这个结果已接近发现万有引力规律。
当然,接近毕竟只是接近,发现引力与距离平方成反比关系对万有引力定律固然重要,但这离真正发现仍有一层关键的“窗户纸”,这就是万有引力中的“万有”,即把地面、天空的力统一起来。这是牛顿首先做出的。后来在胡克与牛顿之间的万有引力定律首创权之争中,胡克没有取得该项优先权是符合史实的。
胡克在其他科学领域还有很多贡献。他曾根据弹簧实验的结果,提出了胡克定律;用自制的显微镜发现了细胞等。
对经典力学的创立做出突出贡献的,除了上面介绍的伽利略、开普勒、惠更斯、胡克以外,还有许多科学家,比如笛卡儿、博雷利、雷恩、哈雷等,在此就不一一做介绍了。
(第二节 )牛顿对力学的综合
英国著名诗人波普曾经写过一首赞美牛顿的诗,诗是这样写的: 自然和自然的规律,隐藏在黑夜里。
上帝说:“生一个牛顿吧!”
于是,一切都光明了。
这首诗的意思是说,过去,人们对许多自然现象和自然规律还不能认识,由于牛顿在科学上的贡献,人们才把这些自然现象和自然规律认识清楚了。这首诗赞颂了牛顿的丰功伟绩,说明了他在科学史上的重要地位。
17世纪后期,经过伽利略、开普勒等一批科学巨匠们一个多世纪的努力,经典力学的基础工作已经完成。但各种力学的知识和理论基本处于“各自为战”的状态,显得有些杂乱无章。这时,科学史上千年一遇的巨人牛顿出现了,他用优美得无与伦比的数学语言,描述并统一了地面、天空的力学理论,创立了经典力学体系。这是自然科学的第一次大综合,在科学史上竖起了一座丰碑,因而经典力学也称牛顿力学。
而从哥白尼开始的近代科学革命,也以牛顿力学的建立为标志,宣告胜利完成。在一个多世纪的与宗教神学的抗争后,科学终于胜利了,科学理性思想的光辉开始照耀地球,指引人类前进的方向。
牛顿发现万有引力定律
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,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,伊萨克·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,时而作诗,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、伽利略和笛卡儿等人的先进思想、科学理论以及研究方法,使牛顿大开眼界。巴罗发现了牛顿的才华,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,干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”。牛顿对光学的发展做出了巨大的贡献。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。
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1665—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成反比的关系,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,这问题才得以完满地解决。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。
牛顿的三次首创权风波
指责牛顿剽窃的是胡克。他是英国那个时代仅次于牛顿的大科学家。在前面已介绍过他,他对天体间的引力也非常有研究,曾发现太阳对行星的引力与其距离平方成反比关系。
1679年,胡克写信给牛顿,信中认为天体的运动是由于有中心引力拉住的结果,而且认为引力与距离平方应成反比。按照这个想法,地球表面抛体的轨道应该是椭圆,如果地球能穿透,物体将回到原处,而不像牛顿所说的,物体的轨迹是一条螺旋线,最终将绕到地心。牛顿对此没有复信,但接受了胡克的观点。
到80年代前期,当时不少的科学家都已明白,从开普勒第三定律可以推出“行星受到的太阳引力应该与距离的平方成反比”这个结论。当时不清楚的是,这种平方反比性质的力,能否使行星按椭圆轨道运动。
1684年,在一次讨论中,胡克自称他能证明这一点,但他不愿公布。于是哈雷跑去找牛顿。牛顿说,他已给出了“这种反比关系的行星运动轨道为椭圆”的证明。哈雷喜出望外,希望看一看证明稿。牛顿在抽屉里找了半天,没有找到,说是时间太久了,不知放哪儿了,但答应三个月内再算一遍给哈雷看。
不久,哈雷收到了牛顿寄来的9页长的论文,这篇论文没有题目,后人称之为《论运动》。在这篇论文中,牛顿从平方反比的中心引力导出了开普勒三定律。接着,牛顿在另一篇论文《论物体的运动》中,提出中心引力不仅与距离的平方成反比,还应与物体的质量成正比。这样,万有引力定律的数学形式就大体上确定了。
从牛顿如此神速地完成万有引力的证明来看,似可说明牛顿在此之前确实做过这方面的计算。只是由于他没有及时发表自己的论文才导致了一些人的猜疑。但牛顿对万有引力的最早证明在何时,至今也很难有一个确切的答案。牛顿思想是否受到了同行的启发,也难于判断。但有一点是确定无疑的,那就是牛顿是站在巨人的肩上完成自己的发现的。这些巨人,除了伽利略、开普勒等前辈外,也包括同时代的科学家。
1685年初,看过牛顿对万有引力定律的证明草稿后,哈雷非常激动,马上再次来剑桥找牛顿,希望牛顿能尽快把关于万有引力的研究成果写成论文发表。
牛顿答应了。经过18个月夜以继日的工作。牛顿终于于1686年4月拿出了名为《自然哲学的数学原理》的论文集。
英国皇家学会认定这是一部极有价值的学术著作,决定公开出版。就在这时,胡克提出异议,说“平方反比关系”是他首创,并指责牛顿剽窃。由于胡克当时是皇家学会的秘书长,有很大的影响力,该书的出版只得暂时搁浅。后来还是在哈雷的调解下,牛顿同意在书中提到“引力的平方反比关系”时说明胡克、雷恩、哈雷等人也曾分别独立发现过。这样,该书总算得以出版。不过出版的费用却是哈雷拿个人的钱支付的。