牛顿无疑是整个自然界的巨人（牛顿说自己站在）

牛顿是科学界神一样的存在，他在数学上发明了微积分、二项式定理，在力学上提出了牛顿三定律，在天文学上建立了万有引力定律，在光学上发现了白光是复合光，并且发明了反射式望远镜……这些成就，一个人一生只要做出其中一项就足以名垂千古，而牛顿做出了所有这些成就。

爱因斯坦评价说在牛顿以前和以后，“都还没有人能像他那样决定着西方的思想、研究和实践的方向。”而普通人对于牛顿的了解则大都来源于那个“苹果落地”的科学轶事。虽然“苹果神话”存在，但是，万有引力定律绝对不是牛顿坐在苹果树下被苹果砸中脑袋之后，即兴想出来的，著名科学史家、清华大学科学史系主任吴国盛教授日前登坛讲授《瘟疫之年：重新认识牛顿》，他表示，伟大的思想从来都有历史背景，而万有引力定律的形成，卡笛尔功不可没：“可以说牛顿就是笛卡尔直接的继承者。牛顿有一句名言‘如果我看得比别人更远一点，那是因为我站在巨人的肩膀上’，这个‘巨人’指的就是笛卡尔。没有笛卡尔的铺垫，牛顿到达不了后来的高度。”

对大多数人来说，笛卡尔是个著名的哲学家，吴国盛教授则告诉大家，笛卡尔更是新物理学的第一人：“17世纪是一个天才的世纪，群星闪烁，笛卡尔则是17世纪前半叶最闪亮的明星。笛卡尔创立了一套新物理学来全方位取代亚里士多德的旧物理学，他是新物理学的第一人。”

亚里士多德认为天和地完全不一样，物质组成不一样，天上是纯粹的、透明的、完美的，是不变化的，地上是土、水、气、火四元素。运动方式也不一样，天界的运动方式是匀速圆周运动，地上的运动方式是直线运动。而笛卡尔则认为宇宙仅仅由物质和运动构成，不分天上地下，“这个思想称之为统一原理，直接应对哥白尼革命带来的天和地界限打破这件事情。笛卡尔创立了崭新的世界体系，除了物质和运动不存在别的解释原则，亚里士多德那些非常复杂的实体、潜能、现实这些概念都不需要了，笛卡尔创立了新物理学的第一原理。这个原理对于牛顿的‘苹果神话’非常重要，因为‘苹果神话’包含一个意思，即苹果和月球之间没有本质的区别。但这个思想不是牛顿的首创，笛卡尔已经提出来了。”

笛卡尔

笛卡尔提出的第二个原理是惯性原理。亚里士多德认为运动要么是自然运动、要么是受迫运动，自然运动是出于本性的运动，重物下落轻物上升，天经地义，而受迫运动一定需要外力维系，外力一旦撤掉受迫运动就中止。笛卡尔认为运动不需要外力维持，运动自我维持，而且数量守恒，“这被称为惯性原理，今天我们称之为牛顿第一定律，但牛顿第一定律的首创者不是牛顿而是笛卡尔。”

笛卡尔提出的第三点，宇宙模型是最关键的区别。亚里士多德的宇宙是天球宇宙，大球套小球，天球套地球这个模式。笛卡尔用涡旋宇宙模型替代天球宇宙模型，用宇宙涡旋解释当时所碰到的所有物理问题。笛卡尔认为，所有的行星绕太阳转动，是因为太阳周边有一个大的涡旋。太阳之外还有很多涡旋。他认为世界是多宇宙的，不只有一个太阳系。所有的涡旋都是由大量的涡旋微粒所构成。涡旋运动既解释了太阳系里行星的运动，也解释了月亮绕地球的转动、抛物体的运动、苹果落地的自由落体运动、彗星运动等等。

吴教授有些遗憾地说：“除了我们做科学史的人之外，今天很少有人听说过历史上还有一个伟大的涡旋宇宙体系，那是因为牛顿彻底清除了涡旋宇宙，用万有引力宇宙取而代之，这相当于新物理学的版本转换，如果说笛卡尔的物理学是新物理学1.0版，牛顿的新物理学就是2.0版，正是这个版本转换，导致笛卡尔在科学史上的地位远远不如牛顿。今天在哲学系，笛卡尔的书仍是必读书，但物理教科书里基本上没有笛卡尔的名字。”

天才牛顿在在剑桥读本科四年期间基本是自学，因为他发现没什么可学的，老一套东西他都不爱学，于是自学了天文学、数学、哲学，“牛顿的天才在剑桥表现得极为突出，虽然是自学，但大学毕业的时候他已经成为当时学科前沿的开创者。”

吴教授透露，牛顿一辈子兴趣比较广，他在剑桥待的那么多年里，其实用心比较多的并不是万有引力，甚至也不是微积分的发明，1667年－1684年，牛顿最主要的精力投入了炼金术实验，排在他兴趣第二位的是圣经年代学研究，此外光学实验是他在学生时代就比较喜欢的一个实验类型，“他造了一个反射式望远镜，后来被命名为牛顿式望远镜，可以解决色差问题，是望远镜里非常重要的一类，牛顿凭着这个发明入选了皇家学会。瘟疫期间他虽然思考过重力问题，但后来搁置了十几年，一直没太关注。”

现在有证据表明，在1665年—1669年，牛顿做了很多计算。其中有两个非常重要的计算：“第一个，他算出了一个圆周运动的物体会有离心力，离心力与距离成反比，与它的速度的平方成正比，F=mv2/r，现在叫做惠更斯公式，牛顿大概在1665年—1669年期间就推导出来了。他推导完之后根据地表苹果的重力加速度，再根据月球的运动周期，算出来地表重力应该是月球离心力的4325倍。这个计算结果当然是有问题的，因为牛顿当时的数据不是很准。

牛顿的第二个计算是根据开普勒第三定律以及他自己新得到的离心力公式，推导出平方反比公式，离心力应该与距离的平方成反比，根据这个公式，他计算出地表的重力应该是月球离心力的3600倍。两个计算的结果不一致，并不令人满意。于是牛顿似乎认为，笛卡尔式的涡旋还在起作用，引力问题就被搁置了。

牛顿重新把万有引力捡起来是1679年，“牛顿之所以敢于把万有引力提出来，而且把它作为一个主要的决定性因素来思考，与其炼金术活动是有关系的。 ”

英国著名的物理学家胡克和牛顿在光学问题、发现万有引力的优先权上一直争吵不休，1679年胡克给牛顿写信说，咱们能不能不打了，恢复通信，胡克的来信，让牛顿进一步思考，“在这段时间内炼金术活动对他的思想有很大影响，他越来越相信存在具有超距作用的万有引力。万有引力和宇宙涡旋最大的区别是什么？宇宙涡旋是微粒的碰撞，苹果落地、月亮绕球转动，在笛卡尔看来都是大量微粒碰撞的结果。而牛顿的万有引力是个超距作用，两个物体之间即使隔着遥远的距离，不接触也能发生作用。”

牛顿对万有引力产生兴趣的转机发生在1684年，那年，发现哈雷彗星的哈雷专程去拜访牛顿，询问假定太阳对行星的引力是与距离平方反比的话，行星轨道应该是何种曲线？牛顿回答说当然是椭圆，自己早就算过了，哈雷说能否让他看一看，牛顿假装找了找说找不到，承诺哈雷找到后寄给他，结果牛顿果然花了三个月时间写了一份证明过程寄给哈雷。吴教授说：“这个证明就是任何做椭圆轨道运动的物体，必然受一个朝向焦点的平方反比力，反之，任何在平方反比力作用下的物体必然做一个椭圆或者圆锥曲线运动，这是万有引力定律的第一个关键证明，这个证明严格说是1684年年底才做出来的。”

哈雷收到这封信之后非常激动，立即鼓励牛顿多写一点。“哈雷点燃了牛顿未来一年半的热情，在这段时间，牛顿其他事都不干了，连最喜欢的炼金术也不玩了，专心致志写作那部伟大的著作《自然哲学的数学原理》。在这部伟大的著作里，牛顿以一种前无古人后无来者的超级天才的洞察力，对此前种种思想要素做了一个综合，构造了一套非常伟大的公理体系，这个体系就是牛顿力学体系。”

吴教授讲述说，在这部著作里，牛顿用他发明的微积分证明了地球吸引苹果的方式。“地表上的苹果离地球的地表很近，过去不知道怎么算那个距离。如果离得很远的话，大概可以以物体和地心的距离作为距离来计算，可是苹果在地球表面，那么地球吸引苹果应该以什么距离吸引呢？这其实是一个微积分的问题。牛顿严格证明了地球吸引苹果就如同所有的质量都集中在球心一样，这只有牛顿能证明出来，没有微积分这点没法证明，而这点证明不了，万有引力定律就没法用，就没有办法知道地球怎么吸引物体。万有引力两个重要的原理都在1684年—1686年完成，所以，真正发现万有引力定律是在这两年，而不是在伦敦瘟疫那两年。”

1665年—1669年，也就是瘟疫之年和瘟疫之后，牛顿初步推导出了平方反比力公式，1684年底严格证明了平方反比力公式。1686年—1687年严格证明了球体引力公式，1687年出版的这本《原理》里面万有引力定律才大功告成。

《自然哲学的数学原理》成就了牛顿在科学界“大牛”的地位，吴国盛教授说：“ 《自然哲学的数学原理》出版以后，新的天文学终于有了坚实的物理基础，对古代科学的整体替代完成，因此牛顿是科学革命的完成者。今天我们所做的科学大范围内还是牛顿科学，所有的其他学科都向着牛顿物理学看齐，牛顿物理学成了近代科学的一个典范。牛顿不仅仅做出来许多了不起的科学成就，而且建立了科学的标准，这是他最牛的地方。这个时候的牛顿可以说是神一般的存在了。英国著名诗人浦珀应邀为牛顿写了一个墓志铭，很可惜这个墓志铭并没有真的刻在西敏寺的牛顿墓碑上，这个墓志铭写道：‘自然和自然律在黑暗中隐藏，上帝说，让牛顿去吧，于是一切豁然开朗！’有些中国人喜欢译成更简洁的句子，即‘天不生牛顿，万古如长夜’。”

17世纪是天才辈出的世纪，为什么惟有牛顿能作出这样的成就？吴教授分析原因有三，首先，这是一个伟大的时代，从哥白尼、开普勒、伽利略、波义耳到笛卡尔，都是牛顿的先驱。

第二，牛顿有独特的天分，拥有超凡的数学能力和实验能力。他的天分正好揭示了近代科学的两个秘密，就是数学加实验。“牛顿是人类历史上的超级数学天才之一，进入前五名应该没问题，而且牛顿不仅是数学厉害，实验能力也极强。他早年初出茅庐时被认可，就是因为做光学试验。今天虽然发现牛顿的光学理论有很多错误，但是他的关键实验仍然正确，他对白光复合光的发现今天仍然正确，其实验方法仍然是最绝妙的。”

第三个原因，则是牛顿从事研究的动机是什么。“我们通常喜欢把科学看成是一个促进生产力发展的技术，用于造就财富，但牛顿的科学没有这些功能。谈到牛顿就不能不谈他的信仰，牛顿相信唯意志论的上帝，牛顿认为，上帝的全知全善全能不在于他是不是理性，而在于他能不能自由挥洒他的意志，在于他能不能说了算。在一个说了算的上帝那里，他可以随时改变这个世界，一个随时改变世界的上帝和一个做好了世界的上帝不一样。如果上帝按照理性的方式创造宇宙，这样的世界，人们只需要通过理性的方式认识就可以了。笛卡尔的上帝是唯理论的上帝，他的体系是通过概念进行理性推理，比如笛卡尔哲学就是从‘我思故我在’这样一个第一命题、完全不能怀疑的命题往下推，他构造了一套推理体系系统。可是牛顿的上帝不允许单凭理性认识这个世界，因为任何理性的构造都可以被上帝随时打破，面对这样一个唯意志论的上帝，人们认识世界的唯一方法是经验，就是得小心翼翼地获取经验，通过对经验进行归纳总结，来揣摩这个世界的规律。牛顿的信仰里面特别强调经验的扎实性。因此万有引力的发现过程中，牛顿实际是总结了大量物体运动的现象后对它们进行数学归纳。所以，牛顿能够提出和笛卡尔不一样的一套宇宙体系。”

吴教授表示，牛顿本人其实不是一个牛顿主义者，“在牛顿看来，宇宙一半是机械的，一半是微妙的。机械的部分是可以用《原理》解释，微妙的部分用炼金术来解释，但是无论是机械的还是微妙的，归根到底是由上帝解释。我希望这样一个知识架构可以帮助大家理解牛顿，理解牛顿为什么一辈子主要的时间像魔法师一样在玩炼金术、研究圣经年代学。” （供图 人文清华）