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三、天地的联络员

作品:自然观纵横谈 作者:少年哲学向导 字数: 下载本书  举报本章节错误/更新太慢

    在枷利略含冤去世的那一年,一个伟大的生灵正在母腹中蠕动。后来的亚历山大•波普曾赞叹道:

    大自然的规律隐藏在黑夜里,上帝说:“让牛顿出世吧!”于是,一切都充满了光明!

    然而,这个在他父亲死后不久出生的早产儿却小得可怜,接生婆甚至没想到他能活下来。牛顿(1642-1727)小的时候并不怎么聪明。他体质虚弱,不敢和其他小孩一起玩耍,害怕别人欺侮他。他的学习成绩也不很出色。但他却特别喜欢做木工活。在牛顿的住房附近有一架风车,风带车转,能把小麦磨成面粉。牛顿被这个庞然大物迷住了,一连好几天,他围着风车转来转去,终于弄明白了风车的构造。他在家里自己动手做了一架小风车,风一吹也能转,并且还能将麦粒磨碎呢!牛顿高高兴兴地把这架小风车带到学校里,同学见后无不称奇。不料一个优等生却傲慢地说:“既然你能做风车,那你能把风车转动的原理讲给我听吗?”

    牛顿被问得张口结舌。他功课学得不好,讲不出原理来。于是同学们跟着起哄了,把他的风车砸了个稀巴烂。牛顿哪里受到过这样的羞辱,从此他发愤学习,终于成为全班最优秀的学生,并且养成了追根问底的好习惯。

    但是事情并不遂人愿,在牛顿14岁时,由于家里缺少帮手,他的母亲便不再让他上学读书了,他只得到田地里干活。这时已经对科学产生了兴趣的牛顿,却不安心务农。他经常藏在田边聚精会神地读书或面对着周围的自然事物出神。

    有一次,牛顿的舅父在进城的路上,发现要上集市做买卖的外甥躲在小树丛旁边的草地上,正在旁若无人地演算着一道数学题。牛顿的舅父是剑桥大学三一学院的成员,他被牛顿这种热爱科学的精神感动了。在他的帮助下,牛顿重返学堂。他如鱼得水,学习更加勤奋刻苦。在18岁那年,牛顿以优异的成绩考进了剑桥大学三一学院。在著名数学家巴罗教授的指导下,他开始崭露头角。

    1665年秋天,令人恐怖的鼠疫横扫了整个伦敦城,大学不得不关闭停课。牛顿也回到老家避难。第二年夏天,有一次由于天气炎热,牛顿走出屋坐在苹果树下乘凉。阵阵微风吹来,他感到格外清爽;他欣赏着周围的景色,心情也格外舒畅。当他的目光从周围移向天空时,他看到那银盘般的太阳好像正朝着他微笑呢!看着、看着,连日来冥思苦想的问题重又浮现在他的脑海里。为什么行星都要按各自的轨道绕太阳运行呢?为什么月亮又要绕地球转动呢?

    正在这时,“啪”的一声,一个苹果正巧从树上落到地上。他的头脑摹然开了窍。他那如同烈马般的想象力一下子跨越了天界和地界之间的鸿沟,开始在整个宇宙中自由驰骋。既然苹果能坠落到地面上,那么,为什么月亮掉不下来呢?牛顿顿悟到,月球落不到地面上来,不是因为它跳出了地球的控制范围,而是因为它绕着地球在旋转;就是苹果,只要能让它绕着地球旋转起来,也就不会再落到地面上来了。

    牛顿根据伽利略对抛射体研究的结果,设想了一个大炮射击的思想实验。在一座很高的山上有一门大炮,沿水平方向射出的炮弹,本来应当是水平前进的;可是在重力的作用下,它就沿抛物线落向地面。如果增加炮弹的速度,它就会落得远一些;如果再增加其速度,它就可能绕地球大半个圈;如果继续再增加其速度,炮弹就会绕地球一圈、两圈、以致最后能围绕地球作圆周运动而不再落到地面上。月球的运动就酷似这炮弹的发射。如果这个假设正确的话,那么,使月球在轨道上运行的引力也就是引起苹果落地的重力。牛顿还进一步设想太阳对行星的吸引力,可能和地球上的重力具有相同的性质。

    牛顿根据开普勒第三定律推出了引力和距离的平方成反比关系;他又用当时已知的观测数值进行了计算,发现地球对月球的吸引力和地球的重力的确像假设的那样是一致的。牛顿由此发现了万有引力定律。

    牛顿一开始就把天上的运动和地上的运动联系在一起,把它们视为在本质上相同的现象加以研究;通过复杂的计算,终于用万有引力把由伽利略所发现的地上的法则和开普勒所发现的天上的法则有机地联系起来,牛顿也由此成为沟通天地的出色的“联络员”。

    当时,著名科学家惠更斯、哈雷、胡克等也分别发现了“引力与距离平方成反比”的规律,但却难于解释天体的椭圆运动。1684年初,胡克、哈雷等人在伦敦相遇,他们谈论了如何导出椭圆轨道的问题,可是没有得出一致结论。哈雷想到这个问题要靠牛顿才能解决,于是他于同年5月到剑桥访问了牛顿。牛顿对哈雷说他早在几年前就解决了这个问题。但牛顿却把计算结果弄丢了。在哈雷的再三要求下,牛顿重新进行了计算。1687年,在哈雷的热情资助下,牛顿的《自然哲学的数学原理》终于问世了。

    在这本巨著中,牛顿把伽利略对自由落体的研究成果概括为两个定律,同时又补充了第三个定律,并提出了万有引力定律。他还从哲学角度提出了绝对时间和绝对空间的概念。这些定律和概念共同构成了一座宏伟壮丽的力学大厦。

    坐在这座大厦里,我们可以从物体在某一给定时刻的运动状态推知它们在此以前或以后的任何时刻的运动状态。这样一来,任何一个力学事件都成了一连串力学事件中的一个环节。这些事件连结起来形成了一个统一的因果锁链,整个自然界就像一架机器一样有秩序地按照力学规律运动着。当行星被某种外力一推动,它就在万有引力的作用下,按照预定的轨道永远没有变化地运行下去。然而这“第一次推动”从何而来呢?牛顿把它归结为上帝。牛顿的世界就是一部上帝启动后又弃之不顾的庞大机器,这个庞然大物从此就成为统治整个自然科学达数百年之久的机械自然观的总后台。

    “如果我看得远一些,那是因为我站在巨人的肩上。”牛顿正是沿着前辈科学家开辟的盘山路,攀登上了科学的通天塔。他扯下片片彩云,用那闪电般的想象力,将天上的事物和地上的事物焊接成了一座顶天立地的力学大厦。

    然而牛顿在临终时却说:“我不过像是在海边玩耍的孩子,为不时拣到一块比较光滑的卵石,一只比较漂亮的贝壳而喜悦,而真理的大海在我面前,一点也没有被发现。”

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