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outspaceman

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物理学与物理学家们(1)——牛顿

天降牛顿

　　沧海月明夜，
　　万物匿其形，
　　天公降牛顿，
　　处处皆光明。
　　
　　公元1642年大概是整个物理学史上最为出名的一年，但这一点在当时只怕并不能为英格兰东部林肯郡一个名叫沃尔斯索普的小村里的居民能认识到。其时正值圣诞节前夜，风雪之中一位村妇行色匆匆地赶往医生家中，她在胸口不停地划着十字，嘴中还在叨念，那个牛顿家的早产儿不知道怎么到底怎么样了？
　　她在村里干了多年的接生婆，却从来没有见过如此瘦小的婴孩，那个孩子象猫儿一样蜷在母亲的怀抱里，甚至一品脱的杯子就可以把他盛下。孩子刚出世的时候紧闭小嘴，脸色铁青，幸好边上有一位醉醺醺的神父，他情急之下把一杯烈酒泼洒在婴儿身上，孩子才猛醒一般大声哭叫起来。
　　事隔多年之后，神父犹为当年的急智洋洋得意，因为他拯救的哪里是个病恹恹的小生命，而是世界上最伟大的人。
　　
　　伊萨克·牛顿静悄悄地来到人世的这一年，正赶上大物理学家迦利略的去世。这对刚复兴的物理学来说无疑是一沉重的打击，何况迦利略临死前不久还被人拖到宗教法庭上伏法认罪，知者无不心寒。这位德高望重的领袖一去，整个物理学不免显得萧索起来，很长一段时间都没有什么进展，世界仍是迷雾重重，也许大家都在等待那个拨开迷雾的人。
　　但小牛顿是不知道这些的，他从来不知道迦利略是谁。对他来说最快乐的事情莫过于坐在河边看磨房风车的转动，或者水中小鱼的游荡。
　　他不愿意回家。说起来这个孩子的身世颇为凄惨，他出生前的三个月父亲就去世了，而后他母亲又改嫁到一个名叫史密斯的牧师家中。这位牧师面慈心狠，经常虐待牛顿不说，还不让他见母亲的面，后来几个弟妹的相继出世使得牛顿在家中更无地位可言。
　　在学校里牛顿也并没有讨到老师的喜欢，各门功课差得一塌糊涂，而且由于身形瘦小，成为诸多顽童欺负的对象。小牛顿生性内向，在外人面前很是腼腆，纵使受了欺侮也很少回击，他只喜欢和班上的女孩子来往，经常制作一些小玩偶之类的玩具送给她们。
　　有一次牛顿精心模仿磨房里的风车制作了一个模型，他得意地拿到班上炫耀，这是他难得开心的时刻，但班上那个成绩最好的学生反问了他一句，你知道风车是怎么转起来的么，老实的牛顿立时目瞪口呆。
　　哄笑声中那个成绩好的孩子将风车扔在地上踩个稀烂，牛顿再也忍不住了，他愤怒地拔拳相向，那个孩子虽然比他高一大截，但在牛顿凌厉的攻势之下无招架之力。事后牛顿跑到小河边痛哭了一场，他发誓今后一定要出人头地。
　　这件事对牛顿的影响极深，直到他晚年仍不时地提及。自此之后，牛顿门门功课都是全优，所有的老师和学生都是刮目相看。牛顿除了学习成绩惊人以外，课外他更喜欢动手制作一些新发明。
　　此时牛顿作为天才物理学家的能力已经显现出来，一次他观察到自己身体的影子随着太阳的转动长短发生了变化，就萌生了制作日晷的念头。他在家中大门上画满了刻度，随眼一瞥就能报出准确到分钟的时间，与教堂里的大挂钟别无二致。后来教堂里的钟出了问题，村里人干脆就拿牛顿的太阳钟做标准时间，一直用到牛顿逝世后几十年。
　　 18岁那年，牛顿终于得尝所愿，来到了著名的剑桥大学三一学院，当时的大学大多带有神学院的性质，三一学院的院名也是借指神学上的圣父，圣子，圣灵的三位一体。
　　牛顿对宗教的兴趣大概也是始于剑桥，但他最喜欢的还是物理和数学。在大学里牛顿仍是性格孤僻，很少与人交往，早在读中学的时候他就发现自己的智力高得和普通学生不可同日而语，现在到了英国的最高学府，情况却没有什么变化。
　　同学们之间的话题他从来没有兴趣参与，而指导老师普雷因教授也整天只是忙着招募弟子。当时教授们的收入完全来自学生们的学费，也无怪普雷因教授一连招收了五六十名弟子，几乎落得人贩子的美名。
　　老师根本没时间指导牛顿，遑论能有心思回答他那些精灵古怪的问题了，最后普雷因教授干脆列了一个书单，上面都是自古流传的经典名作，内容涉及到数学，哲学，宗教等等，在这几年里牛顿的任务就是把它们读完就算了结了学业。
　　此法果然奏效，牛顿再也没来找过他，而是埋头到那些书目之中。他一边读书一边作笔记，上面写满了他对各类科学问题惊世骇俗的看法。无论谁看了，都决不能相信这居然出自一个二十多岁的年青人之手，直到今天牛顿的这些手稿还在被一些史学家，科学家细细研究。
　　在剑桥大学里唯一能让牛顿动心的是著名的卢卡斯讲座，这一讲座是当时剑桥大学里唯一涉及到自然科学的讲座，而且通常都是由最负名望的学者轮流主持，第一任执掌教席的乃是巴罗教授。这位巴罗教授也算得上是一位奇才，十八岁便在三一学院获得博士学位，他精通数学，还先后担任过希腊文，哲学教授，被誉为整个欧洲最为出色的学者。
　　巴罗教授的报告牛顿开始是每场必听，并且通常坐在最后一排。每当巴罗讲到一些艰涩难懂的地方，经常会抽眼关注一下听众的表情，台下人人神色凝重，即便是资深教授也会微微皱起眉头，全场只有坐在后排的那个金发小个子嘴角微撇，一幅满不在乎的神情。
　　更令巴罗惊异的是几次报告之后却见不到牛顿的人影，他索性直接在宿舍里找到了牛顿，原来牛顿竟认为他所讲的已经丧失新意，根本听之无趣。一番倾谈之下，巴罗对牛顿极是看中。这个年青人聪慧过人，眼界高远，学识水平远出齐辈，尤其在数学上更是极负天资，很多复杂的定理公式在他手中如同儿戏。
　　然而当他无意中提到几个简单的几何问题时，牛顿却眨眨眼睛接不上话，细细盘问之下却发现他居然根本不懂最简单的欧氏几何学。
　　当下巴罗大惊失色："你是怎么看懂笛卡儿的《几何学》的？"
　　在刚才的谈话中牛顿曾对当代数学大师笛卡儿的几何学提出一些很是高明的见解。
　　不料牛顿更是满脸狐疑："那是我没事的时候翻着玩的，难道还先得学什么欧氏几何不可么？"
　　巴罗低下头去半晌无语，他深知笛卡儿著的那本几何学极尽烦琐之能事，其中不但充满了晦涩的哲学术语，通篇公式之繁杂更是前所罕见，而眼前这位小伙子居然在丝毫不通基本几何学的情况下居然能全盘理解，融会贯通，那不是天才是什么？嘿嘿，那位人贩子普雷因教授，着实误人不浅。
　　此后巴罗教授对牛顿更是青眼相加，有时候在卢卡斯讲座讲到精妙费解之处，就让牛顿站出来侃侃而谈，台下听众尽多博学之士，然则这位年青人说理清澈，功力精湛，竟是谁也找不出毛病来。一次，牛顿在讲说之中灵感忽现，便当即连讲带写展示了他的想法，其中的数学公式极是艰难，写在黑板上便是极长的一串，牛顿面不改色，心脑并用，转眼间就给出答案，包括巴罗在内的所有听众无不面面相觑，全场一片静寂。
　　最后巴罗教授站了起来，缓缓道："伊萨克·牛顿，我不得不遗憾地告诉你，作为导师，我实在不能再教你什么了，"，然后把目光转向其他听众"诸位，我提请你们注意一下，眼前的这位年青人终将执掌卢卡斯教席，而他一旦执掌，只怕教席的轮流制就此废止了。"
　　巴罗教授毕竟是大有眼光的人物，在牛顿二十六岁那年就以教授的身份接掌卢卡斯教席，而且一直到他五十岁之后自愿放弃为止。
　　牛顿如此受巴罗教授的赏识倒也不仅靠他的天才。巴罗教授生平阅人无数，而剑大更是英才辈出，牛顿的天分固然是无与伦比，他的勤奋更是不作第二人想。
　　其实用勤奋这种字眼来形容牛顿还是太肤浅了，因为科学在他而言甚于生命。当时剑大的学生各个风流潇洒，马场，剧院，舞厅都少不了他们的身影，惟独牛顿一人整日埋头书桌，不与人交往，更遑论唱歌跳舞之类的活动。
　　巴罗教授的点拨使牛顿眼界大开，而他介绍给牛顿的欧几里得所著的《几何原本》一书更是让牛顿明白了如何建立一套公理完备的科学体系。加强了基础之后他抽空又把笛卡儿的几何学从头至尾看了一遍，找到了其中大量的错误，他简直就象跟作者赛跑一般，一边读着书一边就远远地超出了作者的水平。
　　一段时间里牛顿狂热地迷上天文。其时的天文学经过多年积累，资料已颇为丰厚，尤其在大天文学家第谷的毕生努力下，整理出行星运动的极多数据。同屋的人曾怀疑牛顿是否有了什么毛病，几天都不下床，只是捧着一大本资料看个没完，有时苦思冥想，有时写写画画，手头上没纸便顺手在墙上打起了草稿。
　　大家都知道牛顿一件事不完成势必不会收工的，但从来没见他如此艰难地沉迷在一道难题上，以他资质之高当世未必会有什么问题让他如此费神。有人打趣地问他，难道你想做个占星士不成，牛顿
　　紧闭着嘴唇并不答话。

但是牛顿的学生生涯突然被意外地中断了，那是一场席卷欧洲的大瘟疫，仅在伦敦一下子就死去了好几万人。学校里宣布停课，牛顿不得不转到乡下伍尔索普农庄里，这一住便是十八个月。
　　这一段隐居生活，多年以来一直是人们津津乐道的话题。谁也无法想象，天下竟有如此一个聪明的年青人，居然有如神助，能在如此短暂的时间里作出震撼世界的成绩来。
　　村里人都知道那个剑桥的聪明人回来了，但谁也没有见到他，牛顿始终都在屋后的那间小阁子里，唯一能表示他存在的便是小屋彻夜的昏黄灯光。
　　一个经典的传说是当牛顿坐在树下看书的时候，一只苹果突然砸到他身上，这一司空见惯的现象却引起了牛顿的深思，他认识到一定是一种引力在起作用，推而广之，地球和月球，行星和太阳之间必然也存在类似的力，这便是牛顿发现万有引力的经过。
　　如此一来，便似整个人类能有今天灿烂的文明倒似是两个苹果之功，其一便是伊甸园里的亚当和夏娃偷食的那一只，他们此后终被逐出伊甸园并得以繁衍众生，其二便是砸在牛顿身上的那只，这一砸不仅砸出旷世第一灵感，自此人类的命运是大为改观。
　　当然这只是戏说，但牛顿当真这十八月内几乎完成了他一生中最重要的发现。
　　历史上的牛顿不仅仅是作为大物理学家出现的，在数学的发展史上他也是举足轻重的人物。而真正以数学大师身份出现的牛顿似乎只有他回到乡下后的头六个月，在这段时间里，他同时发明了二项式定理，无穷级数展开，微积分，无穷小概念和极限，尤其是微积分，几乎决定了几百年来数学的研究主流。
　　这些眼花缭乱的成果在当时而言即便是第一等的数学家花六个月时间未必能理解，一个并不以数学为职业的人居然轻松创造了出来，当真匪夷所思。
　　被冠以"轻松"二字，是因为牛顿只不过是为发展他的新物理找到一套工具而已，他也未必放在心上。牛顿瞄准的乃是宇宙中最普适的真理。
　　在此之前人们就如何描述垂直下落的物体，也知平抛物体的时候初速度越大抛得越远，可是谁能把这和天上月亮和星星的运动联想起来！九天之上的神界怎能同浑浊不堪的凡间同日而语呢，上帝难道也会围着餐巾拿起刀叉享用早餐么？
　　在英国乡下一间昏暗的屋子里，一个年青人锐利的目光看穿了一切：又有什么不一样呢？月球，行星运行的轨道方程和地上物体的是何其近似，一定是一种同样的神秘因素在起作用，一种促使着物体互相吸引的因素，这就是万物运动的根源所在。
　　夜已深了，伏案良久的牛顿终于直起身来，他默默地把手稿放入了柜里，这是牛顿一向的习惯，凡事不彻底弄清楚之前，决不轻易拿以示人的，万有引力定理虽然神妙，但要确定它还需更详尽的资料。他首先想到的便是在剑大读书时曾疯狂研读过的天文资料，孰料当时很多记载都有误，跟牛顿推演的结论差距甚大，他只得再次将手稿封入柜中，直到几十年后天文观测的数据被修正之后才取出发表。
　　但这震撼宇宙的第一思想就这样在悄悄诞生在一个名不见经传的年青人手中，牛顿终于可以安心地好好睡上一觉了

瘟疫之后，各大院校也陆续复课，此时的牛顿全然不似世界第一智者的形象，他照例是话不多说，人也不多交往，但他获得了一大笔奖学金，生活着实改善了不少，再加上巴罗教授的鼎立提携，他很快成为年轻一代学子中的佼佼者。
　　 1668年，26岁的牛顿双喜临门，他一方面获得发明了反射式望远镜，获得极大的声誉，另一方面终于开始执掌了卢卡斯讲座的教席。这种反射式望远镜不再是透镜聚焦，而是利用球面镜的反射来聚焦，这样一来消除了色差现象，望远镜的分辨率和放大倍数都大为提高，四年之后牛顿单凭此项发明便当选为英国皇家学会会员。
　　反射望远镜的制作也证明牛顿确实是千年以来的第一奇才，为了发展出他新力学，什么都是亲自动手，数学知识不够便自创出一套来，观测工具不够先进便重新改进，什么都挡不住他的脚步。牛顿是既是第一等的思想大家，数学才能也是古今罕见，实验的技术也独步天下，即便就其作为一个工匠来看亦是身手不凡。
　　如此才华横溢的牛顿却自打跨入皇家学会的第一天便遭人嫉视，这当然与他本人的个性也是大有关联。牛顿自幼双亲离弃，性格上多是偏激自负之处，言语不禁，得罪了不少人，而他偏又心胸狭窄，睚眦必报，若是有人触犯了自己，便会遭至倾力报复，甚至不惜利用学术和行政（这是他晚年当上大官之后）的手段压制。
　　和牛顿争论最多的便是大他13岁同为皇家学会会员的罗伯特·胡克，此人亦是一位多才多艺的大物理学家，他发明了很多东西，诸如湿度计，量雨器，螺旋弹簧，万向节等等，在物理学中物体的形变和外力成正比的胡克定理也是大大有名。他身世与牛顿也有相仿之处，妒忌心之强却远甚牛顿，他可不愿意看到这位初出茅庐的年青人就此大红大紫，将自己的风头压了下去。
　　胡克首先找到的茬子是牛顿的反射望远镜，他以长辈的口吻对牛顿的新发明反射望远镜再三挑剔，并说如果给他时间他作出来的还要好的多。不仅如此，胡克还强扣着牛顿的论文不发表，硬说他的光学理论不值一哂。
　　生性要强的牛顿哪里受的了这个，一场大战就此引发。这些年牛顿一直专注于光学的研究，战火便从光学领域燃起，而这一战便是六年之久。
　　开始二人还都仅囿于学术范围，但很快胡克就相形见绌，他虽也是一位罕见的奇才，然而在博大精深的牛顿面前，他的才智也仅剩下一些微不足道的小技巧而已。胡克的数学功底相比牛顿不啻霄壤，很多实验也是毛毛糙糙，漫不经心，而牛顿在学术上向来是兢兢业业，胡克的纰漏蔫能逃过牛顿那如炬目光，他甚至找出了胡克的看家法宝--显微镜原理的错误，并当众公布了出来。
　　胡克羞恼之下，也纠集地当时全欧第一流的物理学家对牛顿的光学理论发难，其时牛顿的理论发轫未久，基础薄弱，漏洞实多，因此牛顿一边回击，一边迅速弥补了很多缺陷，为了替自己的观点辩护，1675年他在实验中发现了著名的牛顿环现象，这也是光学中极重要的一个发现。
　　后来牛顿和胡克之争逐步演化为人身攻击，这一点上他们也是棋逢对手，胡克言辞亢烈，牛顿用语尖刻，却是谁也奈何不了对方。二人都被这场论战弄得筋疲力尽，唯一得益的倒是光学本身，这几年的发展乃是百年间最为迅速的。
　　孰料一波未平，一波又起，来自欧陆的大数学家莱布尼兹就微积分的发明权的问题要也和牛顿争个高下。这场风波原是牛顿的好友，另一位数学家科林斯引发的。
　　当年莱布尼兹在数学上刚展露头角，年少气盛，便以外交使节的身份来到英国，名曰研究，实是挑战，英国皇家学会派出的迎战人员便是科林斯。这莱布尼兹极是了得，三言两语便将他驳得体无完肤，科林斯焉能服气，他拿出了牛顿锁在柜中的手稿，上面都是牛顿数学思想的精华，比如二项式定理，流数法等。
　　莱布尼兹一看之下不免大惊失色，一声不吭地就回了国。科林斯固然是不辱使命，得胜还朝，却在学界留下一桩公案。几年后莱布尼兹发表了世界上第一篇关于微积分的论文，在那篇不到六页的文章里他采用了比牛顿高明的微积分符号，直到今天还被广泛使用，但这却也不能说不受当年牛顿手稿的启发。

......

　完整版见：
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[ Last edited by outspaceman on 2010-4-4 at 13:44 ]

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