苹果真的砸在牛顿头上了吗?
牛顿被掉落的苹果砸中脑袋而发现了万有引力定律的故事,并不仅仅存在于中国教科,即便在欧美文化中这段故事也算是脍炙人口。但其实这真的只是个故事,最早出现在伏尔泰1738年写的《牛顿的哲学》这里。
伏尔泰和牛顿第一次交集是在1727年3月20日,那天是牛顿的葬礼。法国人伏尔泰当年还是三十出头的小伙子,在法国带头搞启蒙运动,牛顿去世的时候也正是伏尔泰创造他个人影响力的年代。不过伏尔泰那些思想对当时法国的封建王权是个很大的挑战,所以他的日子不好过,几次被关进监狱,最后被判驱逐出境。伏尔泰流亡到英国,恰好赶上了牛顿的葬礼。
这是一场名副其实的国葬,数万名市民自发上街送行。抬棺材的是6位身份显赫的人物:2位公爵、3位伯爵和1位大法官。在英国爵位制度下,公爵是最高的,只能是皇室的至亲。按爵位排列,比公爵低一级的是侯爵。为什么没有侯爵,而派了3个更低一级的伯爵呢?这是因为在英国传统的贵族制度中,只有伯爵是本土属性的,侯爵、子爵、男爵都是和其他国家联姻时引进的爵位,所以在那时的英国伯爵的地位比侯爵还要高。
了解了抬棺材的6位人物,各位对牛顿的地位有多高就会有一些体会。牛顿的棺材安放在威斯敏斯特大教堂,当时葬下他时,那个教堂已经有700多年历史了。在那天之前,这里从来没葬过任何科学家,牛顿是第一位。之前葬在这里的都是皇室贵族和教会的顶级人物。如果您去英国旅游,教堂进门左手就是牛顿的灵柩。从那之后文化气氛就扭转了,科学的地位越来越高,教堂里陆续出现科学家的灵柩。牛顿旁边葬着电磁学的伟人麦克斯韦,还有达尔文、卢瑟福、汤姆孙这些声名显赫的科学家。
伏尔泰当时围观了牛顿的葬礼后,整个人就像接受了洗礼一样。他本人在搞的就是启蒙运动,看到英国从皇室到平民给予牛顿这样的礼遇,由衷地羡慕英国的制度和人民的素质,当时伏尔泰在日记里写道:“走进威斯敏斯特教堂,人们所瞻仰的不是君王们的陵寝,而是国家为感谢那些为国增光最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。整个社会在向一个科学家表达着由衷的敬意,这是一个国家对于科学家的态度,也是一个国家对于科学的态度。”葬礼上被震撼到了以后,他设法联系到了牛顿的外甥女婿,两个人见面长聊了一次。牛顿终身未婚,晚年生活一直是由同母异父的妹妹和外甥女照料,所以从外甥女婿口中可以知道很多牛顿的故事。而文章开头说的苹果砸到脑袋的故事就是伏尔泰从那次聊天中听到的,结果写进了书里。牛顿从20岁出头就名满整个欧洲,后来地位又那么高,所以这位科学家的几乎所有文字资料都很完善地保留着。有关他科学发现的内容里从没提过苹果砸脑袋这件事,所以从前的科学史专家们都据此怀疑这是伏尔泰编的故事。
谜底终于揭晓。
2010年,英国皇家学会庆祝成立350周年,他们把很多科学著作原稿的电子影印版上传到网上供大家查看。这时才有人追溯到那个关于苹果和牛顿的故事。牛顿的一位忘年交,比他小了40岁,也是皇家学会的会员,专门研究考古,叫威廉·斯杜克林。他在1752年写的关于牛顿生活的回忆录中提到:午餐后,天气很暖和,我们走进花园,在苹果树的阴凉下品茶聊天。当时只有我和牛顿两人,他告诉我,他以前也经历过这样的场景,那时候他也坐在苹果树下,陷入了沉思,那段时间他就对重力问题有了模糊的认识,这时候,一个苹果掉在地上,打断了他的思绪。牛顿开始探究,为何苹果总是垂直地落向地面?为什么苹果不会斜着落下?很显然,这是因为地球引力在牵引着苹果。
牛顿对力的描述比较有突破的是以下两点:
一、他认为力的作用是改变物体运动状态。而从前的很多科学家认为力的作用是维持物体运动。这是一个认识方式上的大改变,从前人们很难意识到维持运动状态并不需要力。尤其是大家都生活在地球上,就更难观察到这一点了。
二、他让人们有机会认识到引力是如此地弱。牛顿给出了引力公式来计算两个物体间引力大小的具体数值,虽然直到牛顿去世之后71年引力常数才被测出来,但至少从此以后,引力就有了定量的表达式。所以,当卡文迪许用扭秤测出引力常数后,大家才发现原来普通尺寸的物体之间的引力是那么小。我们在桌上放一些曲别针,用一个磁铁从上方靠近这些曲别针,距离还有四五厘米时,曲别针一下就被磁铁吸上去了。你或许觉得这很普通,但你是否意识到,曲别针同时也在被下方的地球引力吸引着,磁铁的质量是几十克,下方地球的质量可是几十克的10亿亿亿倍。整个地球的所有质量合并在一起,在和一块小磁铁产生的电磁力拔河,结果还是完败。
还有一个故事是关于自由落体实验,故事提到伽利略曾经在比萨斜塔上同时扔下两个球,一个空心一个实心,重量一轻一重,结果两个球同时落地,所以就说明物体的下落速度与质量无关。这也是每个中学生耳熟能详的故事,不幸的是它和苹果砸中牛顿脑袋的故事一样,都是传言。这段辟谣出现在霍金的《时间简史》里,真实情况是这样的:伽利略确实得出了两个球同时落地的结论,但他是通过在不同角度的斜坡上滚球,经过上千次测量得到的。除了这次传说中的自由落体实验,在这几百年中一定有不少人效仿过真正的自由落体实验,而最著名的要属1971年7月阿波罗15号所做的那次实验。那是人类第四次成功登月,前三次登月的主要挑战是飞船控制、宇航员的生存。第四次登月时相对来说就轻车熟路了一些,所以相比前三次,第四次做的科学实验比较多。其中David Scott就在镜头前为大家演示了一次自由落体实验,他右手拿着一把采集岩石样本用的铁锤,左手拿着一只羽毛,然后同时撒手,铁锤和羽毛确实同时落地。这个实验在优酷上有视频,各位如果感兴趣可以搜索“月球做自由落体实验”。
解读
有些话题是非常容易吸引人的,它们需要满足一个条件:众人皆知,且只知其一不知其二。这样的话题在涉及著名历史人物和事件时经常会出现,比如华佗刮骨疗毒、爱迪生救妈妈(阑尾手术)、从太空站可以看到长城、华盛顿砍樱桃树,等等。这种现象不止在中国,在欧美国家也有很多,比如涉及发明家时,结论大都是:某一次突发奇想、某一个极为偶然的提示让他们做出伟大的发明。实际上,任何一个发明都是在各方面条件极为成熟后,有一个幸运儿拍马赶到才出现的。即使历史上爱迪生根本就没出生过,成熟可靠的灯泡也将在几个月后诞生。
其实,只要看过这些话题人物的传记,就会放弃这种幼稚的思维方式。以牛顿为例,他最早在《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)中阐释了引力。网上也有这的电子版可以参考。只要看过几页就会发现,这是在阐述一个完善、宏大、复杂(数学技巧上)、逻辑上一环套一环的体系。如果一定要比喻,《原理》就像后期各个参数都调整到匹配度非常好的游戏《英雄联盟》那样,角色之间互相制约,玩法多样,平衡拿捏得恰到好处。这套体系需要持续的验证和计算。
把这类众人皆知的事情深挖到底,内容就会很精彩。深挖素材的逻辑就是一次次地问:这个说法是从哪儿来的?每一次我们都要找到出处,也就是在可信的源头(论文库、图书馆、正式出版物)能查到文字记录。而且这类问题之前也会有不少人研究过,在他们的文章中还能发现更多有趣的东西。这整个过程就像破案一样。