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那颗砸中牛顿的苹果

来源:科技日报    发布日期:2018-01-26

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    科林碎玉

    牛顿出生在1月,是按“新历”(格里历,即公历)算的;人们也常说他“出生在伽利略去世那年(1642)的圣诞节”,则是按“旧历”(儒略历)算的,带点儿牛顿是伽利略“转世”的意味——300年后的1942年,牛顿又“转世”成霍金,30年前霍金为他的“前身”编了一本《引力300年》,引力一脉就这样传承下来。顺便说一句,牛顿在旧历1726年3月20日去世,但新历却是1727年3月31日,因为旧历新年从春分开始,而新历在1月1日就翻篇了。

    普林斯顿大学最近重版了40多年前的一本《引力论》经典课本,以作者姓氏缩写简称为MTW,作者之一Kip Thorne因引力波探测获2017年诺贝尔物理学奖,漆黑的封面是一只白线描的大苹果,令人遥想传说中砸了牛顿脑壳的苹果。而苹果对牛顿引力思想的作用似乎是“莫须有”的。牛顿去世不久,伏尔泰谈弥尔顿在佛罗伦萨看荒诞戏时,也想起苹果树下的牛顿。他说,弥尔顿找到史诗灵感,牛顿想象引力,与毕达哥拉斯从打铁噪声听出音符一样,都是一样的思想创造。考古学家斯图克莱是牛顿的第一个传记作者,新历1726年4月15日,他也听牛顿在肯辛顿讲过苹果的故事:在一个炎热的黄昏,他走进花园,在苹果树的荫凉下喝茶,看见苹果落下,便又想起引力的概念……那么苹果的作用近乎“关关雎鸠”的“兴”了。

    据牛顿侄儿的回忆,苹果树下喝茶的故事发生在1666年(一个“魔幻”之年),就在那年,胡克在皇家学会做了《论引力》的报告,指出所有天体都相互吸引,引力随距离增大而减小;1679年,胡克写信给牛顿,问他平方反比与行星轨道……不禁想起爱因斯坦的感叹:“幸运啊,牛顿!”伽利略从自由落体看见了均匀的加速运动,开普勒从行星看见了椭圆的轨道,胡克意识到了平方反比的引力,我们今天熟悉的天体运行图像似乎已经在他面前呈现出来了。但那图像是零碎的,我们“熟悉”的实际上是牛顿统一之后、在他的《原理》中用新创的数学确立了平方反比律的引力与圆锥曲线(不仅椭圆)的天体运动。他说他站在巨人肩上,就是把大家模糊感觉的东西明明白白地确立起来。同样的场景也出现在20世纪初:当洛伦兹、庞加勒等已经敲开了相对论的大门,但终究没能跨过门槛,眼看着爱因斯坦走进去展开一幅新的时空图景。

    至于那只苹果,站在牛顿肩上的爱因斯坦换了一种眼光。MTW用一个假想的场景区分爱因斯坦与牛顿的引力观:一个同学坐在草地上,见苹果落下,爬着几只小蚂蚁。他盯着蚂蚁的爬行路线,发现它们竟然是“激光似的直线”!这就是广义相对论的意思:蚂蚁不觉得有什么力在吸引和拉拽它,它只是自然地沿着苹果的弯曲表面爬最短的路线而已。

    从苹果引出的两种引力图景,在宇宙学问题上奇妙地相遇了,让我们能“幸灾乐祸”地看见巨人的盲点。牛顿说着“万有引力”,却相信恒星静止——是真正的“fixae stellae”。他知道天狼星比太阳遥远,本该想到它即使运动也难以察觉,却将静止归因于恒星系统的无限。神学家本特利问他:星体怎么会在万有引力下永远静止呢?牛顿在计划的《原理》第二版(最终没完成)的零星草稿里,留下一个回答:恒星所受来自相反方向的引力都相互抵消了。可是当他构造一幅多圈层的恒星系统时,遭遇了奥尔伯斯的疑难:那样的夜空应该是星光灿烂的。

    爱因斯坦虽然意识到牛顿宇宙的问题,他的引力场方程也正好描述一个膨胀的宇宙,但他还是相信宇宙是稳恒的,于是为场方程添加一个“宇宙学常数”。这是一个有趣的错误——百年以来一直传说为爱因斯坦一生“最大的错误”,虽未解决宇宙膨胀的问题,却在今天赢得了一个新的宇宙角色——暗能量。我们真该感谢巨人们的错误,才让科学的历程显得那么崎岖而奇趣;也因为他们的错误,才为后来的矮人们留下了成长的空间。

 

作者:李 泳编辑:林观夏
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