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谈谈植物学的崛起:科研其实就是穷人的游戏
ecoliugy 2019-5-23 14:12
雅典学院:古代学术是贵族的游戏 今年是2019年,恰逢五四运动爆发一百年。全国范围内,各大媒体大张旗鼓地谈论五四运动,纪念“五四精神”,教育青年一代要有爱国精神。 遗憾的是,大家在拼命强调爱国与进步的时候,忘了五四精神一共有八个字: “爱国、进步、民主、科学”。 特别是科学,理性和批判思考问题的精神,似乎被社会主流彻底淡忘了。 官方机构、公众和媒体的淡忘与忽视,恰好说明,一百年过去了,科学的精神没有得到很好的普及和广泛的接受。“科学”并没有成为思考问题的方式,只不过是一句句响亮的口号罢了。 前不久去美国参观学习,感慨我们很难建设出美国自然历史博物馆那样鲜活的展教体系。国内即便是最顶尖的学术和教育机构都是一层皮,核心压根没有学会。今天再次受到日本一讲毛虫的图鉴的刺激,再次引发了大家对科学与教育的讨论。 总结诸位青年科学家的看法,就是“科学都是那些贵族玩的游戏,我们尚且处于发展阶段,还不具备那样的经济实力。” 事实上,大家公认的种种“科研是贵族活动”的思想是不正确的。 现在的科研其实就是穷人的游戏。 古代贵族都是自己掏腰包,现代科研通过“项目”驱动,穷人科学家也可以“ 游山玩水 ”(野外科考),探讨哲学(做学问)了。 为什么这么说呢?这得从现代科学项目制的建立说起。2017年,nature有一篇书评,讲述了19世纪著名的博物学家小胡克,是如何在资金短缺的背景下,推动整个英国皇家学会改革的。 nature评论文章:胡克一手缔造了植物学 小胡克,全名为约瑟夫·胡克(Joseph Dalton Hooker,1817-1911),他父亲就是邱园的主任(又名大胡克),他因此受到影响,全世界跑,到处采集植物。其中最著名的是,他把喜马拉雅山区的杜鹃野生资源带回英国,强烈的刺激了英国人对杜鹃花的狂热,最终演变成整个欧洲对杜鹃的痴迷。众多的植物科考,奠定了胡克成为19世界最杰出的科学家之一。 胡克在锡金采集杜鹃花。他撰写了The Rhododendrons of Sikkim-Himalaya (1849)一书 在19世纪,小胡克虽然学术和名声上均取得较大的影响力,但他事实上并非贵族,科研资金还是个大问题。与达尔文等不同,小胡克一是家底薄,没有什么财产,自己也不是贵族;二是他所从事的植物学,在那时候还不成熟,被认为过于重视收集与描述,属边缘学科,不受重视。 由于植物标本收集之顾,小胡克与达尔文成了交心的好朋友。小胡克在阅读了达尔文的自然选择与物种起源的书信和手稿之后,很快成了进化论的支持者,并在收到华莱士的书信后策划了先在林奈学会上宣读达尔文的理论的办法,亲自将进化论介绍给学术界。 小胡克先后成为,英国科学学会会长, 皇家会长, 邱园第二任园长等,为了更好的发展植物学,改变植物学的地位,小胡克也借达尔文进化论的强大影响力,把植物园收集和分类的重要性推到一个新的高度。 Using evolution to put plants in their proper place within the system of classification was also a way of putting botany into a better place within science.(借力进化论,小胡克把植物系统分类在科学界的地位,提升到一个更高的位置。) Hooker's career bridged the old world of patronage and the new one of government-funded science. The latter opened careers to the relatively poor, but at the cost of bureaucratic interference and that “lengthening chain of correspondence”. (借力进化论,小胡克把植物系统分类在科学界的地位,提升到一个更高的位置。) 博物学家达尔文、地理学家 莱尔和植物学家胡克,三人是进化论最早期的坚定支持者 更为重要的是,小胡克作为学术皇家学会的领导,他结合自身没钱苦苦支撑的经历,改变了科学运作的方式。 小胡克在年轻的时候,曾写信给父亲,说要是自己成就不了一番事业,成为伟大的博物学家,那责任不在于我,而在于植物事业的资助实在太少。 利用自己独特的学术地位,小胡克把传统的科考资助方式,改为政府专项资金支持的模式,使得很多没钱的科研人员也能够从事科研工作。 这种政府资金支持的模式,很快在众多领域和学术机构中得到认可,整合到全世界各国的体制计划之中。我们现在的各种基金,项目、工程,就源自穷人科学家小胡克的改革。 换言之,当代科研制度就是为“穷人”设计的科研模式,早已经不是19世纪的贵族科研模式。 很多人,张嘴闭嘴讨论的没钱,需要贵族精神等等,或多或少都是没找到问题,为不好好干活而找出的借口而已。人心浮躁,制度有缺陷,或者科学改革不够彻底,教育出问题等等,我们需要在其它方面寻找病源。 Hooker's career bridged the old world of patronage and the new one of government-funded science. The latter opened careers to the relatively poor, but at the cost of bureaucratic interference and that “lengthening chain of correspondence”.(利用自己独特的地位,小胡克把传统的科考资助方式,改为政府专项资金支持的模式,使得很多没钱的科研人员也能够从事科研工作。) 1888年皇家学会会员合影:赫胥黎、胡克、高斯、达尔文、莱尔等众多牛人都在其间。你认识几人? 正如我们大多数人对当今中国学界“贵族精神缺乏”的反思和坚信不疑一 样,西方也曾怀疑胡克的这种做法。国家支持会不会弱化西方“贵族精神”? 对科学的追求,本身是对知识的追求,科研项目化会不会让人变为“对项目的追求,对资金的追求,而非对知识分享的追求”?有人嘲笑小胡克的这种“项目化的追求的新贵族精神”,确实西方学术同行也有追求项目化的趋势,但更多人对科学的追求,不正是一种新式的科学贵族精神吗?世事洞明皆学问,很多学问其实也不需要太多的资金,很多很多科研资金,其实也都打了水漂喂了白眼狼。 以植物学为例,我们从小胡克的身上可以隐约看出,穷人家出生之人或许才是最能在植物学领域坚持的一批人。你觉得呢? 参考资料:Endersby, J. (2017). Botany: he made plants a profession. Nature, 546(7659), 472-473. 图片来自维基百科、Kew、论文和 the Wellcome
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他跟牛顿斗了半辈子,不仅没流芳千古,反而连画像也没留下
热度 17 beckzl 2016-12-7 21:56
岁月蹉跎 埋葬了多少闪耀 ...    “如果说我比别人看得更远,那是因为我站在巨人的肩上”    这句出自牛顿的名言在中学生枯燥的议论文中被引用了无数次    老师每每都对我们说,牛顿的伟大还体现在他的谦虚    他日,你们若能功成名就,也应该像牛顿一样持有一颗谦逊的心    然而,这样一句鸡汤味十足的话语并不是谦逊之言    它出自牛顿给前辈的一封信中,看似恭敬的文字中藏满了敌意    “更远” 和 “巨人” 都是为了讥讽这位 身材矮小的前辈    而牛顿与这位前辈的战争几乎牵动了整个学术界    可其知名度却不及牛顿莱布尼茨一案 牛顿与莱布尼茨的战争    这位瞧不起牛顿的“巨人”不仅 上知天文下晓地理    其贡献如今影响力巨大乃至几乎所有人都离不开    他设计 制造出了第一批实用光学显微镜 ,并以 “细胞” 命名生物的微小结构    他还观察提出了化石是由生物矿物化而成的    古生物化石    在机械方面,他发明了 锚式擒纵 ,对钟表的发展贡献巨大    他首次制造出今天汽车广泛使用的 万向节 传动机构    提出了力学经典的 弹簧受力与形变成正比的定律    他甚至还参与设计建造了大名鼎鼎的 皇家格林威治天文台    更令人吃惊的是,他曾经 纠正了牛顿引力理论中错误的思想 ,并以此嘲讽牛顿    可以说没有他,牛顿在万有引力的理论上很可能像他在光学的研究上一样走偏    最终被时代所抛弃    皇家格林威治天文台    在他去世后,可能因为他与牛顿的矛盾    他生前唯一的一副画像,牛顿任皇家学会会长期间离奇遗失    昔日皇家学会实验室主任竟没给后人留下哪怕是一副画像 …    熟悉物理课本的人应该能猜到这位巨人应当是提出胡克定律的 罗伯特·胡克    但绝大多数的人对他的认识也只停留在一个定律的提出者而已    1635年出生,胡克是家中四个孩子里最小的一个    他出身平凡,父亲是个当地的英国教会牧师    但得益于当时他的父亲,他负责打理一所教会学校    胡克幼年所接受的教育还算是比较优秀的    他在年纪很小的时候就展现出对机械的热爱    他曾经将一个黄铜制成的摆钟拆得七零八碎    然后用木头复制了一个几乎一模一样的出来    对机械的热爱也催生了他对绘图的兴趣    早年他的梦想曾是做一名钟表工匠或者是画匠    13岁时,胡克的父亲去世了,留给他约40磅的遗产    他拿着这笔“巨款”想都没想就到伦敦去求学了    接下来他的人生可谓是一帆风顺    进入伦敦高校,成为了博士门生,习得了多门外语    在他18岁的时候进入了 牛津大学 ,虽然最终没有取得学位    但让他成功混进了高端的学术圈子    初出茅庐的胡克成为了 自然哲学家波义耳的助手    被认为开启了近代化学的罗伯特·波义耳    这段时间是胡克大展拳脚的好机会    他先是发明了 锚式擒纵 ——一种能将往复运动转化为圆周的小角度间歇转动的结构    又发明了 游丝 (一种金属弹簧),为钟表行业的发展做出的极大的贡献    虽然普遍认为荷兰人惠更斯才是游丝的官方发明人    但胡克在发明锚式擒纵后就已经开始了对游丝研究工作 游丝与锚式擒纵联动    之后,马德堡半球实验的成功轰动了世界    关于空气的研究迅速展开,波义耳也加入到其中    可是波义耳虽然擅长实验但是对于仪器的设计却没有什么建树    设计实用高效空气泵的重任就落在了胡克的肩上    胡克凭借对机械的直觉,没花多大功夫就制造出了一台性能优秀的空气泵,让波义耳大为赞赏    马德宝半球实验    波义耳在胡克的空气泵帮助下,对真空有深入的研究    他很早就指出,真空产生的吸力其实是大气的压力    随后,在胡克的协助下,又提出了 波义耳定律 ,即气体的压强与气体的体积成反比    日后,波义耳对化学的研究被认为是近代化学的开端 波义耳定律实验    波义耳除了钻研自然科学外,也积极推动科学的发展    1660年,闻名世界的英国皇家学会成立    波义耳因为身在牛津,虽不是皇家学会的第一批成员    但也是公认的发起人之一,也是后来学会的精英    而身为波义耳最有才华的助手,胡克也沾了不少的光 皇家学会在雷恩的号召下建立    皇家学会成立后,胡克虽然依旧在波义耳手下干活    但他的才能和名声已经逐渐要赶上自己的导师了    当年,胡克提出了物理教科书上著名的胡克定律    相信这应该与他对钟表游丝弹簧的研究有关 陪伴理科生整个高中生涯的胡克定律    彼时,皇家学会的会长决定建立一个专职的实验机构    身为当时杰出的仪器制造者,胡克被推荐到皇家学会    很快,胡克就坐到了实验室主任的位子了    对于胡克来说,皇家学会的实验室就是他的再生父母    他不再局限于制造那些简陋的器械,逐渐开始接触光学仪器的制造 皇家学会的发起者和首任会长雷恩    胡克参考了皇家学会一名成员的设计,改进了伽利略简陋的结构    制造出了当时最先进的显微镜套装    这套显微镜不仅有精密的光学系统,还包括一个独立的照明系统    已经非常接近今天传统的光学显微镜    通过显微镜,胡克得以通过另一个角度观察世界    他的研究被认为是有里程碑式的意义的 胡克的显微镜    胡克观察了软木树皮,发现了其中微小的格状结构    看上去就像是修道院里一个个的独立小房间    于是他 将这种结构称作细胞 ,这个名称对后世影响巨大,以至于人们很难用其他词汇更好地形容细胞    胡克绘制的细胞结构图    胡克认为细胞是生物所特有的结构    他在日后观察植物化石也发现了类似的结构    因此,胡克指出,这些看起来像是生物的石头并不是什么神迹,而是古老的生物石化形成的    同时,作为进化论的支持者,他也认为这些化石中保存的生物有很多都是现在已经灭绝的物种 胡克手稿中的化石    1665年,胡克将自己用显微镜观察的记录整理成书    《显微术》 一书横空出世,畅销一时,就连日后的死对头 牛顿也大为称赞此作    胡克在《显微术》中的跳蚤,可以发现胡克的绘画能力出众    除此之外,胡克在建筑学也颇有造诣    当年伦敦大火,一万三千间民房被烧毁,亟需重建    胡克作为首席助理协助雷恩爵士参与灾后重建    后来他们还设计了 格林威治天文台 以及臭名昭著的 贝特莱姆皇家医院 (著名的疯人院)    贝特莱姆皇家医院    胡克除了爱好显微镜,对望远镜自然也是很熟悉    也正是因为他对于自己在望远镜领域的自傲,才结识了自己不该招惹的牛顿    当年初出茅庐的牛顿造出了世界上 第一架反射式的望远镜 ,并将这架望远镜交给皇家学会    胡克看到之后心里一惊,随口表示自己早在七年前就制作过更小更好的望远镜    要不是因为黑死病和伦敦大火被耽搁了,哪里轮得到这个年轻人在这里威风    从此胡克与牛顿结下了梁子 牛顿望远镜,来源见水印    后来牛顿对光学有了更加深入的研究    他将关于光学的研究论文呈交至皇家学会    胡克作为前辈花了三个小时就审阅完了全文    他对牛顿的光粒子学说不满,认为牛顿用粒子解释光的颜色不足以让他信服,波动说才是宇宙真理    还抓住牛顿论文里一些轻率的用词,把他批判了一番    牛顿心里气不过,但是自己用词不准理亏在先,也不好反驳,可他还是咽不下这口气    依旧在与胡克的书信中坚称自己的理论是正确的    我们都知道当年牛顿与莱布尼茨关于微积分的争夺    牛顿利用自己在皇家学会的权势不断打压莱布尼茨    最终占据了这场论战的上风 牛顿莱布尼茨之战    可是那是已经成名牛顿,对这些事早就见得多了    而成就牛顿的正是科学界 撕逼大王胡克    某次,在与牛顿的书信中,胡克问到关于引力的问题    他问牛顿,假如地球可以被穿透,从高塔上平抛一个物体    那么最终物体的运动轨迹会如何    牛顿当时对引力的研究还不是很深入,他错误地认为引力与离心力是一对平衡的恒力    于是他认为平抛物体的运动轨迹应该是螺旋线    最终物体会被吸引停留在中心    而胡克早年对天体运行规律已经有所研究    他知道引力并不是一个恒力,平抛的物体最终应该以椭圆轨道环绕    且引力的大小很可能遵循与距离平方成反比的规律    他在信中大肆反驳牛顿,并用恭敬的语言加以讽刺    不仅如此,他还揪住牛顿错误且可笑的观点在皇家学会公开批评嘲笑他    不得不说,胡克是正确的,但他并没有能够用严谨的方法证明引力的规律    而牛顿吸收了胡克的观点,重新思考引力的本源,成就了后来那个被苹果砸头的经典力学之父    牛顿的伟大就在于他不仅对力学有深厚的理解,他在数学上也有很高的建树    后来,牛顿震惊世界的 《自然哲学的数学原理》 成稿    书中正式提到了万有引力定律,胡克大为恼怒    他强烈要求牛顿在书中作序声明自己的观点先行    牛顿原本在书中有引用胡克的一些观点,但胡克的恶劣态度简直是一种羞辱    结果牛顿将书稿中所有胡克的名字尽数删去    牛顿著《自然哲学的数学原理》    两人的矛盾愈演愈烈,甚至不愿一同出席学会的会议    他们之间只有书信往来,字里行间充满了讽刺与挖苦    那句著名的 “如果说我看得更远,那是因为我站在巨人的肩上” 就出自牛顿给胡克的信中    可以想象 矮小又驼背 的胡克看到会有何感想    牛顿在学会的声望越来越高,胡克则因为自己的大嘴巴被多人疏远    直到1703年,胡克在落寞中去世,遗嘱中将所有遗产捐给学会,走完了自己为科学奉献的一生 牛顿爵士    而牛顿则意气风发,不久后出任皇家学会会长    发动了光学的粒子说与波动说的世纪战争    利用自己的权威让粒子说统治了学术界将近百年    直到后来的英国小伙 托马斯·杨 做成了 双缝干涉实验    波动说才重回历史的舞台    酷炫的双缝干涉实验证明了光的波动性    胡克去世后,他在皇家学会的实验室和图书馆被解散    留下的实验器材被送走或就地销毁    后来,皇家学会搬迁,胡克生前唯一的画像遗失    有证据显示,德国学者此前拜访皇家学会曾见到过胡克和波义耳画像    但唯独胡克的画像遗失,有人认为是牛顿作祟    导致今天我们只能通过语言记录猜测胡克的样貌    根据前人的描述所绘制的胡克画像    胡克一辈子成就很多,可生不逢时    他为波义耳定律费尽心力,可他也只是一名助手    他是推动光波动说的中坚力量,可惠更斯才是第一人    他最早触到万有引力定律的核心,却无奈牛顿的数学天赋远在他之上    如今只有胡克定律四个字才能让我们想起这个站在牛顿身下的“巨人”    论成就胡克的确拼不过牛顿,甚至还比不上惠更斯    牛顿也当之无愧是科学史上最伟大的名家    可若没有胡克、惠更斯、莱布尼茨的陪跑    牛顿得有多寂寞啊 文章首发于微信公众号:SME 欢迎关注
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牛顿与引力:神人间的争议
热度 13 liu005777 2016-8-30 09:06
前述文字中已经谈到了牛顿与胡克等人间发生的争议,这些争议细节又是怎么回事?有必要予以澄清。 常言说:人不可能去踢一只死狗。 大凡只要你干出一件很漂亮的事,或一旦成名或将要成名,争议就会如鬼附身般伴随而来。 躲避争议最好的方式是不予应对,而最好的不予应对办法就是将可以出人头地的东西不予公布。然而,对于一个科学家,不即时公布自己的科研成果,等同于自判死刑。而作为一个尚未得到同行认可的年轻人,不想公布自己的成果,等于锦衣夜路、未起步就改行。 科学家不能因为害怕引起争议就不发表自己带有真知灼见的见解。在一些可以推动科技革命、社会进步、人类思想解放的领域,即使付出生命的代价,也要即时澄清一些真谛。布鲁诺( Giordano Bruno , 1548 — 1600 )就是一位非常值得人类史推崇的伟大的科学家,即使直到 1992 年罗马教皇才宣布为布鲁诺平反。可以这样讲,如果没有布鲁诺,也许就没有牛顿的宇宙体系,而牛顿明显是一位不愿意为争议浪费时间之人,然而,伴随牛顿的一生,恰恰是争议不断的一生。童年少年是养育方面的,青年壮年是科学发现方面的,老年则是思想体系与引力原理的传递机制方面。这里只搜集与两位神人级人物间的争议。 牛顿与胡克间的争议 牛顿与胡克间的争议的起因总共有三次,几乎从牛顿步入科技殿堂开始持续到胡克去世。 第一次是 1672 年,牛顿刚刚当选皇家学会院士后,在二月号的《哲学通报》上发表了《光与色的理论》,并在皇家学会举办会议上阐述自己的观点,认为白光经过棱镜产生色散,分成七色光,他将其解释为不同颜色微粒的混合与分开,遭到主张波动说的胡克文字上的尖锐批评,不仅如此,作为皇家学会的实验室主任,已经出版了专著《显微术》的胡克还宣称自己拥有这方面发现的优先权。这一打击对于尚未起步的血气方刚的牛顿,无疑于有灭顶之灾之势,牛顿大怒,称胡克完全没有理解自己这一划时代发现的意义。为了证实自己光学方面的见地正确, 1675 年- 1676 年,牛顿又向皇家学会递交了论文“解释光属性的假说”,按照皇家学会处理论文的程序,这篇论文首先由实验室主任胡克进行实验检验,并向皇家学会作出评价,没想到这次胡克再次声称牛顿所做的工作在他的《显微术》中都有,牛顿只是做了某些细节上的拓展。牛顿气不打一处来,说胡克的工作是受惠于笛卡尔和其他一些人,在光学的薄盘颜色精确测量方面,胡克毫无能力,并威胁要离开皇家学会。 这次打击还使得主张光学微粒说的牛顿将大部分内容已完成的著作《光学》一直延迟到胡克过世后才出版。 有人说胡克最先对牛顿的争议产生于牛顿制造出世界上第一架反射式望远镜,从牛顿因此而进入皇家学会来讲,这应该不算,以胡克的为人,人前人后凡人凡事都要议论几句并说这事我早就干过的处世态度,牛顿定当不会对此追究。 第二次有人认为发生在 1679 年。本来在皇家学会斡旋下,胡克向牛顿写了一封争取和解的“非常谦恭”的道歉信后,牛顿接受了和解,回信还赞美了在光学方面已做出贡献的笛卡尔与胡克等为“巨人”。双方一致同意,以后以通信提意见方式避免人前直接公开发生敌对争论。这种和解状态大约保持了两年,两人也互致了一批信件,其间,牛顿还向胡克继任皇家学会秘书一职表示了祝贺。这年的 11 月 24 日,作为学会秘书的胡克给牛顿写了一封信,请求支持学会的工作,介绍了学会成员间相互交流研究新进展新想法相互促进的重要性,并请牛顿就有关沿切向的直线运动和所构成的行星的复合运动等发表高见,信的结尾还是自称是牛顿忠实的仆人。 牛顿接到这封信后于 1679 年 11 月 28 日给胡克回了信,回信中还真就“吸向中心物体的运动”较为随意地给出了自己曾经思考过的一个科学问题——如果一个物体自高塔上下落,掉落地面时会否因为地球自转而偏离塔的正下方而出现在塔的西边——给出了自己的高见(内容与苹果落地一致),牛顿的结论是:若略去空气阻力,物体(苹果)的触地点会稍微偏向塔(树)的东边,并依据自己的想象画出了曲线图表示物体下落时的途径为一条螺旋线。这成为第二次争议的导火索。 没想到胡克接到这封信后将彼此间和解时约定的不公开发表敌对争论的承诺抛诸脑后,“很得瑟地”在皇家学会的例会中宣读了牛顿的信并就此以椭圆―螺旋线证明及其他落地点情况的分析进行纠正,并作了公开批评,使牛顿感觉受到重拳打击而因此蒙羞。 如果说第一次争议中牛顿还有所成果能得到人们的认可而存有自信的话,这次事件使牛顿认为自己一败涂地,颜面丢光。为此,牛顿意识到自己随意就没实验根据的问题提出假说见解的方式不可取,立下再不乱提假说的誓言。但胡克的背信无疑增加了牛顿对他的反感。 这种反感情绪使牛顿远离伦敦皇家学会,非常低调地呆在剑桥足不出户,潜心研究自己感兴趣的问题。直到哈雷的来访。 但是,从事后牛顿还一直保持着与胡克继续通信交流、并且还就“平方反比问题”展开讨论、而且在《原理》初稿中多处提到胡克来看,应该说这次伤害被牛顿掩盖了,要么屈从于胡克作为现任秘书的压力,要么牛顿比较富于心机,默默忍受着内心的苦楚,要么牛顿这时正在享受着秘书胡克给他提供了广泛的科学家之间研究认识相互交流的好处而不愿意公开闹僵,或者以“胡克就这样一个人不跟他一般见识”为阿 Q 不愿将这一事件描黑。 第三次争议发生在牛顿完成《原理》第一卷,正在撰写第二卷期间, 1686 年 5 月 22 日,哈雷给牛顿写信,告之胡克就《原理》中平方反比律的发现权提出置疑,以及胡克希望牛顿能在《原理》的序言中提及他的作用。这便成为科学史上的有名之争。应该说,这次争议发生得相当严重,触发了第二次隐忍未发的导火索,牛顿暴怒(传记作者就是这一用词),不仅将原本在《原理》中出现的胡克名字予以删除,而且还要不遗余力地施以惩罚。 牛顿与胡克间的争议,起因于光的粒子性见解对光的波动性冲撞,不可调和于平方反比律优先发现权问题。因为光学方面的争议导致牛顿《光学》著作一直压箱底至胡克去世才出版发行,因为吸引运动轨迹问题使牛顿蒙羞而蛰伏乡下 5 年,因为平方反比律的争议,牛顿修改了《原理》第一、二卷,几乎删除了文字中所有出现的胡克名字,并且重新用数学语言写了第三卷。这种怨恨一直延烧到胡克死后,牛顿继任皇家学会主席,利用搬迁学会之机,毁灭性地处理了胡克的影响力。 面对争议,胡克采用更多的是老子天下第一的自我膨胀唯恐天下不知方式,牛顿采用的是惹不起躲得起一旦有时机予以毁灭性消除影响方式。 牛顿与莱布尼茨间的争议 如果说牛顿与胡克之争仅限于个人恩怨与相同学科多个内容之争的话,牛顿与莱布尼茨之争则涉及到两个国家不同学科同一内容的争论。这便是科学内涵一致的牛顿的流数术-莱布尼茨微积分谁优先之争。 读牛-莱之争很有意思也很有收获,于我则是知识的更新。举一例,在具体深入了解牛-莱之争前,我写的同一篇论文中同时使用了莱布尼茨和牛顿各自善用的符号,即先用莱布尼茨一阶微分、二阶微分方法进行求导分析,接着使用牛顿一阶、二阶微分符号进行运算推导,居然没有被审稿人发现(《牛顿力学》也是这么个路数)。读了神人之争后,我知道该怎么改正了。 莱布尼茨所定义的微分概念,采用了的微分符号是 d x 、 d y ,使用的积分符号是∫;牛顿流数术使用的一阶、二阶微分符号是 і 、 ї 。显然,莱布尼茨使用的符号较之牛顿的更直观、合理,被普遍采纳沿用至今。 牛顿为了解决物体的运动问题,发明了流数术,是先有导数概念,后有积分概念,仅当作一种从事物理研究的数学方法、工具;莱布尼茨以数学家的思维建立了微积分原理,是先有积分概念,后有导数概念,建立之初即意识到了微积分将会给数学带来一场革命。 至于剽窃与抄袭,我是这样理解的:剽窃是将别人没有公之于众的东西占为己有,宣称是自己的;抄袭则是把别人或自己已经发表过的东西拿来再运用并不告诉别人这不是他自己的东西。任何文章引用资料必须与原始出处保持一致,这不能算作抄袭。因此,我不认为牛-莱之争中存在剽窃与抄袭问题。 我在新疆工作期间,有一位朋友告诉我说某人(我也认识的同事)将他在某次会议后与之讨论时指出的准噶尔盆地西北缘所展现出的帚状构造体系观点很快写成文字后在杂志上公开发表了,令他肚子胀的是文章中居然提都没有提他一下,于是他对科技界这种剽窃风深恶痛绝。我安慰说,当今世界遵循的可是谁先发表谁就拥有优先权啊,您今后可要注意及时发表科学新论点。 关于牛-莱之争我不想多写,有兴趣的朋友可以搜索探求进而弄清细节。按当时欧洲人将会议发表与通信发表和论文发表具有同等效力来看,牛顿流数术具有先期性,但这仅仅是一个处理运动问题的方法。莱布尼茨的微积分方法具有直观性、系统性、广泛应用性。 这里我借用爱因斯坦的一句话做总结:……这项工作导致牛顿发明了微积分的基础。 已经有朋友想知道我的参考文献了,先告之如下 : 1) 两张图片内容(图片 1 ,图片 2 ) 图片1 图片2 2) CNKI 文库 3) 百度文库
个人分类: 随笔|8574 次阅读|16 个评论
牛顿与引力:巨人的肩膀
热度 14 liu005777 2016-8-27 08:11
牛顿在给胡克通信中提到了“巨人的肩膀”,后人各说各话,有说这体现了牛顿谦虚、高风亮节的博大胸怀,有说这是牛顿借以讽刺胡克个子矮小的暗讽语。究竟应该如何理解? 为了弄清这一问题,不妨介绍一下这两封信产生的背景及其信件中包含的主题信息。 彼时的英国皇家学会成员保持着每年不定期向学会提交研究心得、成员间相互交流研究信息的风气,不过,所有通信都要通过学会秘书中转,秘书接到成员的信函后,一般都要在学会举办的会议上宣读,有些需要发表的论文则要通过实验室主任进行实验检验后再公开发表。所以,信函所列观点与会议报告、公开发表论文具有同等价值,只是影响力大小的区别。 1675 年,时任学会秘书奥登伯格在牛顿与其他会员间就一些光学问题的探讨中起着中转作用,而作为秘书,他有权宣读他认为值得宣读的部分(同一信中的部分或者同一问题不同人物的部分),当时牛顿处在人生的饱受争议阶段,实质原因在于牛顿主张的光的粒子性与胡克等人主张的光的波动性之争,这当然是各执牛耳、公婆各理的事,但彼时则很难调和,为此,成员间闹得人心浮躁。加上秘书有时宣读了牛顿的回信而没有宣读胡克的质疑信,有时又仅仅是将牛顿信件的前半部分在会议上宣读,而后半部分或附言等相关评论又不予宣读,事后才让人知道,搞得气氛不怎么好。 牛顿 1675 年 12 月 7 日给奥登伯格的回复的关于光的颜色观察论稿,除了回答胡克等人的质疑,还提出了有关于他不愿意卷入麻烦迭出而又毫无意义的争论中去的强烈要求。就是这封信,秘书奥登伯格先生分两次开会进行了宣读和讨论。宣读是在圣诞节前的 12 月 9 日与 12 月 16 日,翻过年后,在 1676 年 1 月 20 日— 2 月 10 日又继续就此信件内容进行讨论,胡克看到了没有宣读的牛顿的评价(其中包括一些偏激言论),感觉到有些被人误解甚至被人说了坏话等问题存在。可以想见,一个主张光的粒子性的人的正确认识,既不可能被主张光的波动性的人一时接受,也不可能轻易地被波动性认识打倒,反之亦然。 在讨论开始的当日—— 1676 年 1 月 20 日,胡克即给牛顿直接写了信,信件比较长:信的开头以先生称呼开始,首先谈了自己可能被曲解的怀疑,接着写了自己不赞成争论及公开诋毁别人或显示自己,又写了自己对牛顿成果的尊重与称赞,主张两人间相互倾听反对意见并不要公开敌对,建议通过私人信件坦言交流不同看法以免被其他人牵着而相互猜忌,表达了希望牛顿能够原谅自己的直截了当,信的末尾称自己是牛顿忠实恭顺的仆人。 应该说,胡克这样做是需要勇气的,首先,他打破常规越过秘书直接与当事人通信,表明了一种愿意沟通并主动沟通的姿态;第二,不需要中间人过渡,利于双方完整接受对方信息,避免曲解;第三,承认了对方的造诣,恭维了对方;第四,赞赏、同意并接受了牛顿对无益争议的看法;第五,表明了自己的谦虚与道歉;第六,卑微自己。 针对胡克的此信,牛顿在 1676 年 2 月 5 日回复的信是这样写的: 先生,读了您的来信,我对您的坦率感到极为愉快与满意,觉得您的做法真正符合了哲学精神。 …我非常乐于接受您私下通信的提议…请尽将您的批评意见向我直言…对于那种一针见血的反对意见,我却是真正渴望的,我知道没有人能比您更有能力使我从中获益,您那样做将使我蒙恩。 …然而同时您对我探索这个课题的能力看得过大了。笛卡尔所迈出的是出色的一步,然后您又在几方面有所推进,特别是在薄盘颜色方面。如果我曾经看得远一些,那是因为站在巨人肩上的缘故( But, in ye meane time you defer too much to my ability for searchinginto this subject. What Des-Cartes did was a good step. You have added muchseveral ways, especially in taking ye colours of thin plates intophilosophical consideration. If I have seen further it is by standing on yeshoulders of Giants. ) … 以上是“巨人的肩膀”出现的来龙去脉,读者自行判断牛顿此时的心境。从两人信件的篇幅看,牛顿的心境是深度愉快与满意的,所以他写的较长。在接受别人恭维的同时向对方再射出毒箭,一般人做不到,更何况是牛顿。 地质学上有个将今论古法,我相信,现代任何人接到这样一封信,都可以看出其惴惴不安、被曲解后的渴望、像个犯了错的孩子、小心地迎合与奉承的深刻反省态度,何况绅士风度盛行的伦敦皇家学会。作为刚刚入行不久、各方面都需要前辈提携照顾、且正在饱受争议的牛顿,面对位居皇家学会实验室主任、著有《显微术》的胡克的私下如此谦虚的求和行为,打死也不敢马虎对待,更遑论嘲弄? 我读苏轼作品后悟到的一句话是:一切美好的东西才能得以永久流传。牛顿这句话之所以得以流传,正是因为它体现出了美好。不要妄论歹意。 我同意“巨人的肩膀”体现出牛顿谦虚、高风亮节的博大胸怀的说法。 为了便于人们判断,我将这两封信的截图发上来(见照片)。
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相对论与黎曼几何-2-牛顿引力
热度 11 tianrong1945 2014-7-17 09:15
2. 牛顿 引力 当年, 18 岁的克莱洛因为对空间曲线曲率和挠率的研究而被选入了法国科学院,在那儿,他与皮埃尔·莫佩尔蒂成为了好朋友。莫佩尔蒂比克莱洛大 15 岁,但在当时也算是一名相当年轻的科学院院士。莫佩尔蒂后来因为研究最小作用量原理而知名,我们曾经在第一篇中提到过他在这方面的贡献。那个时代,欧洲的数学界和物理界,小天才颇多,年轻学子意气风发、英雄辈出。比克莱洛大五岁的欧拉以及比克莱洛小五岁的达朗贝尔,都是在 12 、 3 岁的小小年纪就进了大学。之后,这三个人在研究牛顿引力定律的过程中还演绎了一些值得回味的故事。 引力是一种颇为神秘的作用力,它存在于任何具有质量的两个物体之间。人类应该很早就认识到地球对他们自身以及他们周围一切物体的吸引作用,但是,能够发现“任何”两个物体之间,都具有万有引力,就不是那么容易了。其原因是因为两个普通物体之间的引力是非常地微弱,使得我们根本不能感知它们的存在。比较起来,电磁力就要大多了,比如我们司空见惯的摩擦生电的现象:一个绝缘玻璃棒被稍微摩擦几下,就能够吸引一些轻小的物品;还有磁铁对铁质物质的吸引和排斥作用,都是很容易观察到的现象。然而,除了巨大质量的星体产生的引力能够被观测到之外,一般物体的引力是很难被探测到的。此外,人类对引力的本质仍然知之甚少,电磁场有电磁波来传递信息,常见的光也是一种电磁波,人类可以产生、接受、控制光波和电磁波,它们已经算是某种抓得住、看得见、用得上的东西。可是引力呢,至今仍未直接探测到引力波,我们对引力的了解还差得太远。 牛顿发现的万有引力定律是理解引力的第一个里程碑。里程碑可不是那么容易就被建在某人的名字前面的,其中伴随着许多优先权之争,特别是在科学草创、规范不健全的时代。牛顿能够和常人一样地感觉苹果打到头上,却也和常人一样地无法探测一般物体之间的引力。但他凭着他超强的思维能力以及基于前人成果的基础上,提出了万有引力定律。定律说的是任意两个物体之间都存在相互吸引力,力的大小与它们的质量乘积成正比,与它们距离的平方成反比。而其间的比例系数被称之为引力常数 G 。这个常数应该是个很小的数值,但到底等于多大,当时的牛顿自己也搞不清楚,一直到牛顿死后 70 年左右,才被英国物理学家亨利·卡文迪什( 1731 - 1810 )用一个很巧妙的扭秤方法测量出来。现在公认的万有引力常数大约为 G=6.67x10 - 11 N · m 2 /kg 2 。从这个数值可以估计出两个 50 公斤成人之间距离 1 米时的万有引力大小只有十万分之一克!这就是为什么我们感觉不到互相之间具有万有引力的原因。 当时牛顿还研究了地球的形状,并从理论上推测地球不是一个很圆的球形,而是一个赤道处略为隆起,两极略为扁平的椭球体。由于地球的自转,地球上的所有物质都以地轴为中心做圆周运动,因而都产生惯性离心力。如图 2-2-1a 所示,离心力可分解为两个分力,一是垂直于地球表面的力,一是水平分力,垂直分力不会使物质沿地表移动,而水平分力不一样。地球上所有质点,无论是位于北半球还是南半球,所受的水平分力都指向赤道那一边。因此地球上的物质便会有一种向赤道挤压的趋势,使地球变成一个扁球体之后而平衡。对于这个结论,当时的学界有两派意见。莫佩尔蒂支持牛顿扁球体的结论;卡西尼等则根据其它一些理论,认为地球是个长椭球。为了解决对此问题的争论,莫佩尔蒂带领克莱洛等人以法国科学院测量队的名义进行了 1 年多的远征,对地球进行弧度测量,远征的测量结果证实地球确实为一扁形椭球体,赤道半径要比极半径长出 20 多公里。 图 2-2-1 :地球自转对地球形状的影响 克莱洛从 1745 年开始研究太阳、地球、月亮的三体问题。将牛顿定律用于解决二体问题不难,但三体问题就变得异常地复杂,之后经过庞加莱的研究还知道这个问题实际上与复杂的混沌现象有关。克莱洛当时特别计算了月球的轨道,远地点和近地点等。有趣的是,他的计算导致的第一个结论是认为牛顿重力理论的平方反比定律是错误的,而且还得到了不少同行的支持,其中包括大数学家欧拉。 欧拉当时将近 40 ,右眼失明,却已经成为数学界的大师级人物。同时,比克莱洛小几岁、同为法国人的达朗贝尔也向法国科学院提交了一份文件,宣布与克莱洛的结果一致。于是,克莱洛信心倍增,振振有词地建议在万有引力的平方反比定律后面,再加上与半径 4 次方成反比的一项作为修正。 然而,到了 1748 年的春天,克莱洛意识到,月球远地点的观察数据与理论计算之间的差异是来自于自己计算时所作的某些不太恰当的近似 【 1 】 。于是,克莱洛在 1749 年宣布,他现在的理论计算结果是与平方反比定律相符合的。然而,克莱洛没有对此给出详细的解释,反而采取缄口不言的策略,默默笑观欧拉和达朗贝尔两个人为此问题而纠结却又不知如何重复克莱洛的计算。 欧拉最后想出一招,利用他在圣彼得堡学院的位置和威望,设立了一个征奖项目,要求在 1752 年之前精确计算出月球的远地点。克莱洛果然上钩,他提交的答案使欧拉完全理解了克莱洛的方法。 尽管欧拉为自己没有解决这个问题略感沮丧,但他高度赞赏了克莱洛的工作。 两个年轻之辈就不一样了。原本还算友好的克莱洛和达朗贝尔从此结下梁子,后来关系逐渐恶化,继而互相攻击,情势愈演愈烈。两个人本来都是数学家,但达朗贝尔更为重视理论方面,克莱洛便以此攻击达朗贝尔等理论家忽视实验,采用不靠谱的假设和分析方法来避免实验和繁琐的计算。反之,达朗贝尔则嘲笑克莱洛对三体问题的结果都是基于别人的观察资料而非像他那样,是基于自己的理论而得到的。 我们如今很难用是非的标准来判定两人的争论。历史地看,重理论的达朗贝尔后来的名声更大一些,但在当年,克莱洛却是份外的风光。因为他继续使用自己计算三体问题的技巧,精确地预测了哈雷彗星的轨道。他在 1758 年 11 月 14 号宣布结果,预测哈雷彗星将于 1759 年 4 月 15 日返回地球,后来,哈雷彗星于 1759 年 3 月 13 日返回了地球,与预测日期只相差一个月,这是由于当时还未被发现的天王星和海王星对哈雷彗星的摄动影响没有被考虑进去的原因,使克莱洛的预言产生了小小的误差。这个预言再次证实了牛顿引力理论的正确,克莱洛也因此而获得了公众的极大好评。 克莱洛后来在社会中声名大振,却反而阻碍了他的科学研究工作,他日夜奔波于社交场合,四处赴宴熬夜,身边常有女人陪伴。他因此而失去了休息和健康,在 52 岁时英年早逝。 如上所述,克莱洛、欧拉等当初都怀疑过万有引力遵循的平方反比律,其实现在看起来,这平方反比律是大有来头的。静电力和引力相仿,也遵循平方反比律,还有其它一些现象,诸如光线、辐射、声音的传播等,也由平方反比规律决定。为什么刚好是平方反比、是 2 而非其它呢?大自然似乎总是以一种高明而又简略的方式来设置自然规律,在这儿它又是如何呈现它的高明之处的?时间的积累以及科学家们的努力,部分回答了这个问题。人们逐渐认识到,这个平方反比率不是随便任意选定的,它和我们生活在其中的空间维数为 3 有关。 图 2-2-2 :点信号源的传播服从平方反比律 在各向同性的 3 维空间中的任何一种点信号源,其传播都将服从平方反比定律。这是由空间的几何性质决定的。设想在我们生活的 3 维欧几里德空间中,有某种球对称的(或者是点)辐射源。如图 2-2-2 所示,其辐射可以用从点 S 发出的射线表示。一个点源在一定的时间间隔内所发射出的能量 S 是一定的。这份能量 S 向各个方向传播,不同时间到达不同大小的球面。当距离 r 呈线性增加时,球面面积 4p r 2 却是以平方规律增长。因此,同样一份能量,所需要分配到的面积越来越大。比如说,假设距离为 r 时,场强 I=S/( 4p r 2 ) ,将这个数值 用 1 来表示的话,当距离变成 2r 的时候,同样的能量需要覆盖原来 4 倍的面积,因而使强度变成了 1/4 ,下降到原来的四分之一。这个结论也就是场强的平方反比定律。 从现代的矢量分析及场论的观点,可以对平方反比律解释得更深入一些。简略地说,服从平方反比律的场有一些“优美”的特点:是“无旋”的、是保守力场、是有心力场、无源处的场的散度为 0 、场强可以表示为某个标量的梯度、做功与路径无关等等。从场论的观点,在 n 维欧氏空间中,场强的变化与 r (n-1) 成反比,当 n=3 ,便化简到了平方反比定律。 追溯万有引力的平方反比定律的发现历史,便扯出了牛顿与胡克间的著名公案。其实胡克对万有引力的发现及物理学的其它方面都做出了不朽的贡献,但现在的一般人除了有可能还记得中学物理中曾经学过一个“胡克定律”之外,恐怕就说不清楚这胡克是谁了。这都无可奈何,成者为王败者寇,学术界也基本如此。对此公案大家可能都有所闻,本人不再赘述,可阅读参考文献 【 2 】 。 参考资料: 【 1 】 PSpeziali, Une correspondance in é dite entre Clairaut et Cramer, Rev.Hist. Sci. Appl. 8 (1955), 193-237. 【 2 】科学史上著名公案——牛顿与胡克之争 http://w.baike.com/8d23dccf29c84a4c942f0adbc0134ca3.html 上一篇:几何学 系列科普目录 下一篇: 曲面的微分几何
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苹果与黄金——牛顿、莱布尼兹与胡克
热度 4 lev 2014-7-10 16:10
苹果与黄金 Apple and Gold 按 :上一篇《骑士的谢幕——马赫、玻尔兹曼和奥斯特瓦尔德》( http://blog.sciencenet.cn/blog-217073-810029.html )隆重推出了 “牛顿体系的批判者” 马赫 。 为了表明鄙人对“牛哥”(我和朋友私下都这么称呼牛顿)之滔滔敬仰,趁热打铁再贴一篇旧文 。其中关于贝克莱主教那部分已经在博文《作为牛顿的敌人,贝克莱够格吗?》( http://blog.sciencenet.cn/blog-217073-799518.html )中贴出过了,看过的朋友可以直接跳过。 混沌太初 , 洪荒宇宙。 物含妙理, 天行有常。 浩瀚苍穹下, 是谁记下的公式, 串起了日月星辰 曼妙的舞蹈? 又是谁写下的方程, 编织了时间与空间 跃动的旋律? 当自然律还在黑暗中沉睡, 理性的田园仍旧荒芜。 大千世界, 何人解其深意? 万象更新, 何人得其要领? 自然的面前, 人类如此卑微。 前行的航船竟没有灯塔的指引! 这 是一个呼唤巨人的时代! 鲜花广场上的烈火, 照亮了文明与蒙昧的分野。 比萨斜塔坠落的铁球, 击碎了桎梏真理的囚笼。 宗教裁判所抹杀不了, 地球转动的事实。 偏僻的英伦乡间, 是谁 悄悄夺下了造物者操纵万物的线? …… 伯利恒之星 After Jesus had been born in Bethlehem of Judea in the days of Herod the king, 希律王时,耶稣降生于犹大的伯利恒, look! A strologers from eastern parts came to Jerusalem, saying: 东方的贤者来到耶路撒冷,说: Where is the one born king of the Jews? 那天生的犹太人之王在何处? For we saw his star when we were in the east, 我们在东方看见了他的星, and we have come to do him obeisance. 特来朝拜。 …… When they had heard the king, the went their way; 贤者听了王的话,便上路; and, look! the star they had seen when they were in the east went ahead of them, 东方所见之星在前指引他们, until it came to a stop above where the young child was. 直到停止于婴孩所在之上。 ——《圣经·马太福音》( Matthew ) 明崇祯十五年,即公元 1642 年 12 月 15 日,探险家、地理学者徐宏祖(字振之,号霞客)留下的近 300 万字考察日记经其故友季梦良的辛勤整理,编纂成书,是为《徐霞客游记》。这部 17 世纪最伟大的地理学著作详细记载了古老中国的名山大川、风土人情以及轶闻野史,垂死挣扎的大明帝国不经意间为大航海时代的世界文明奉上了最后的致意。 不朽的徐霞客,是他用 30 余年来踏遍三山五岳的足迹最后一次勾勒了只属于中国人的“天下”( whole China under heaven )。 不久之后,在这“天下”所不及的异域,在绝大多数中国人意识中尚不存在的不列颠( Britain ),在英格兰林肯郡( Lincolnshire in England )沃尔索普村( Woolsthorpe )一个普通农家里—— 遗腹子、早产儿 伊萨克·牛顿 Isaac Newton (1642~1727) 发出了他在混沌世间的第一声啼哭。 我们无比惶恐地撕下日历:儒略历( Julian calendar ),公元 1642 年 12 月 25 日。自此以后漫长岁月里,任何一位替这个孩子著书立传的理智的学者,笔及此处都要反复以理性抑制自己胸中的强烈冲动,以免不负责任地留下“冥冥之中自有天注定”之类的蠢话。 因为,前一年文艺复兴的科学旗手伽利略·伽利雷“荣归”天堂(按儒略历牛顿生于1642,伽利略卒于1641;按公历牛顿生于1643,伽利略卒于1642);这一天,天父之子、万王之王( king of kings )耶稣基督降临世间。 师说 世有伯乐,然后有千里马。千里马常有,而伯乐不常有。 ——韩愈《马说》 1669 年 10 月 27 日,剑桥大学( Cambridge University )正值盛年( 39 岁)的首任卢卡斯数学教席( Lucas professor of mathematics ) 伊萨克·巴罗 Isaac Barrow (1630~1677) 向学校提交了辞职申请。事业如日中天的几何学权威的辞职消息霎时间在宁静的校园内激起波澜。是宫廷斗争,还是教会干涉?是看破红尘,还是精神失常?……当众人尚在热议各色小道八卦的时候,一个更具爆炸性消息被某位好事之徒披露出来:巴罗大力推荐的继任者就是那个离群索居、孤僻怪异的下等人、乡巴佬——伊萨克·牛顿! 无论在什么时代,小道消息承载的都是无所事事者惊人的想象力。三一学院( Trinities college )的贵族子弟们几乎笑得前仰后合,但很快他们就要强迫自己在人前收敛笑容。 该死,那个乡巴佬已经穿着工整而华丽的教授制服出现在了讲台上! 踌躇满志的牛顿静静地伫立在剑桥大学无比荣耀的讲坛上,在他凌厉目光的扫视下整个教室的空气似乎都凝固了。刚才还在嬉笑打闹的世家少爷们陷入了紧张的不安,他们无法忍受这种可怕的沉寂,即使他们也知道自己此刻的窘迫是在为刚才的张狂赎罪,他们甚至在心中默默祈求来自牛顿教授劈头盖脸的痛骂……然而讲台上那个人依旧并没有开口的欲望,他习惯以沉默的方式享受,享受向高贵者复仇的快感…… 1661 年,在开明的舅父鼓励下, 19 岁的牛顿终于脱离令他难以启齿的务农生活,只身来到剑桥大学,作为减费生(即勤工俭学)入读圣三一学院。很快地,牛顿投到了不久前才从欧陆归国的巴罗教授门下。这位年轻的教授是欧几里德的学术传人,在几何学与光学领域造诣颇高。 所幸,作为剑桥学术新贵的巴罗身上同时还兼具崇高的教师品德。不起眼的牛顿在他的悉心教导下尽情释放令人惊异的数学才能,这种才能足以使事业正处于上升阶段的巴罗开始严肃地思考自己将在历史中的地位。最后,伊萨克·巴罗老师以其数学家的敏锐洞察力很轻松地完成了一个对人类智慧的历史走向至关重要判断:我存在的目的就是作这个青年的垫脚石,我将为他披荆斩棘清理出一条通向科学的坦途。 与苦难的开普勒同病相怜,讳莫如深的出身与并不快乐的童年在牛顿的精神肖像抹上了神经质的一笔,这个敏感而又脆弱的灵魂习惯于放大别人的恶意却无视真诚而无私的爱。情感迟钝的牛顿丝毫没有察觉(即使察觉也不会反馈)巴罗老师的热情,他理所当然地、贪婪地吸收老师的知识与智慧,旁若无人地沉浸在欧几里德的《原本》、开普勒的《光学》、伽利略的《对话》、笛卡尔的《哲学原理》…… 伊萨克·巴罗并不计较爱徒的“无情”,因为作为一个老师,他已经体验到了不带任何功利色彩的、最纯粹的幸福感,这种幸福感本身就是一种无法衡量的荣耀,它来自亚里士多德背后的柏拉图,来自柏拉图背后的苏格拉底。 如果后人一定要追究巴罗所“算计”的回报,那也只能是历史赋予他的光辉头衔:伊萨克·牛顿的老师,这应该是上帝对为人师者最高的奖赏。 追逐无限 1665 年,一场大规模鼠疫席卷伦敦,剑桥亦不能幸免,学校被迫宣布停课。牛顿于是年 6 月回到了家乡沃尔索普村。与世隔绝的乡间生活比之剑桥充满敌意的贵族圈子更适合于牛顿的隐士做派。按牛顿自己的回忆,两年的家乡岁月正是自己学术生涯的黄金时期。 这一时期,牛顿的主要角色是一位数学家,而他令人惊异的才华似乎也在此刻集中爆发。 从毕达哥拉斯开始,数学就承载着某种超自然的神秘意义。至基督教统治的中世纪,数学甚至成为了蛊惑人心的巫术。而脱离了毕达哥拉斯——柏拉图体系的自亚里士多德则以自己创立的逻辑学作为自然哲学体系的唯一官方语言。较之精密的数学,表意模糊的逻辑(传统的形式逻辑)时常把严谨的自然哲学探究带入模棱两可的玄学深渊,以至于近代物理学的先驱伽利略不得不大声疾呼: 大自然的语言是数学! 从逻辑表述到数学表述的转变形成了古典自然哲学向近代自然哲学即物理学过渡的重要标志之一(另一个标志是 F. 培根所确立的实验方法)。对伽利略以后的自然哲学家而言,数学才是指向宇宙奥妙的唯一通途。 作为上帝选定的伽利略继承人,牛顿的研究兴趣同样集中在对宇宙万物运动本质的考察,但是以孤立、静止事物为研究对象的传统数学(常量数学)已经不能为他提供足够强大的分析工具。科学又一次走到了历史的十字路口,我们依稀记得在吕克昂搭建知识大厦的亚里士多德早已践行了只有知识的主宰才佩拥有魄力——没有工具,就自己创造。 这是一段在运动中追逐无限的旅程! 1637 年,笛卡尔创立的解析几何拉开了变量数学时代的序幕,这为通过数与形相结合从而精确地描述物体运动提供了可能。伊萨克·巴罗在其著作《几何讲义》中以光的折射与反射为出发点,确立了求过曲线某点切线的几何方法,并首次意识到求曲线围成的面积与其某点切线两种运算之间存在的互逆关系。 1665 年,在研究传统的面积问题时,年仅 23 岁的牛顿发现了二项式定理( Binomial theorem )。如今这一定理已作为初等数学的常识深入到了每一个初中代数课堂,但对于绝大多数被迫诅咒数学的中学生而言,在他们不厌其烦地用二项式定理化简整式乘法时并不会意识到正是这一发现建立起了沟通静止与运动、跨越有限与无限的桥梁。 流动的世界 飞鸟之景,未尝动也;镞矢之疾,而有不行不止之时。 ——《庄子·外篇·天下》引惠施“历物十事” 据亚里士多德《物理学》记载,活跃于公元前 5 世纪的埃利亚学派( the Eleatic school of philosophy )哲人芝诺( Zeno of Elea )为了宣扬永恒的静止而热衷于阐释运动的虚无: 问:飞行的箭矢是运动着的吗? 答:是的。 问:在飞行的某一瞬间,箭矢是否占据了确定的空间? 答:是的。 问:是否可以说箭矢在这一时刻处于静止状态? 答:是的。 问:那么飞行过程中的其他时刻呢? 答:也处于静止状态。 问:是否可是认为飞行的箭矢在任意时刻都处在静止状态? 答:是的。 问:那飞行的箭矢究竟是静止的还是运动的? 答:…… 与芝诺构造的所有运动悖论一样,“飞矢不动”的精彩论证基于他的老师巴门尼德 (Parmenides) 关于万物永恒静止的固执信念。而与巴门尼德同时代的哲人赫拉克利特 (Heraclitus ) 却在奔腾不止的河流边发出一声长叹: 人不可能两次踏进同一条河流! “万物皆流”,不存在所谓的常驻不朽,宇宙就是永恒的变化与运动。在沃尔索普的山村溪流边,牛顿思索着两千多年前希腊先哲同样的思索。 流动的世界来自于每一个流动的瞬间,宇宙中每一条曲线都是一个点流动的轨迹。他将宇宙中变化着的量称为“流量” (flux) ,流量随时间的变化率称为“流数”( fluxion ),那么对埃利亚学派 “飞矢不动”问题的研究就明白无误地约化为求飞矢的位置流量在某一时刻的流数。 1665 年 11 月,牛顿找到了精确确定流数的办法:既然不存在芝诺所谓的“静止的瞬间”,就可以将飞矢连续的( continuous )位置流量无限分割足够多次,直到可以将通过某段路程的飞矢视为匀速运动。取其中一段相应的时间间隔定义为“瞬”( moment ),求该段路程与瞬的比值即平均速率。当瞬趋向于“无限小”( infinitesimal )时,平均速率即趋向于某一时刻的流数。这不正是飞矢运动的最好判据吗? 随后,他把这个方法推广到了求曲线切线以及极大极小值问题,均获得成功。他将自己的新方法定名为“流数术”( the method of fluxions )——捕获流动的数。次年 5 月,牛顿在流数运算的基础上完成了其逆运算反流数术的构建,一举解决了困扰前人数千年的不规则图形求积问题。 牛顿心满意足,像一个从大胜战场归来的老兵一样小心收藏起自己的“战利品”,然后拍拍身上的尘土,从容地奔赴下一个战场。 同室操戈 尼尔斯·玻尔( Niels Bohr )说过:在陈述一条伟大的真理时,其对立面也一定是一条伟大的真理。基于同样的逻辑,当我们发现一个伟大的人时,他的敌人也一定堪称伟大。故事至此,伊萨克·牛顿的形象开始变得模糊起来,因为他剩余的生命已经不可避免地同他伟大的敌人们交织在一起。 1831 年 6 月 20 日与次年 1 月 16 日,哥廷根大学( Gottingen University )数学教授兼哥廷根天文台台长卡尔·高斯( Johann Carl Friedrich Gauss )连续收到了老朋友匈牙利数学家 F. 波约( F. Bolyai )两封信以及随信附上的研究手稿。这些手稿来自 F. 波约的儿子青年学者雅诺什·波约( Janos Bolyai ),后来成为了数学史上跨时代的论文《绝对空间的科学》( Science of absolute space )。 F. 波约希望高斯审阅一下儿子所建立的不同于欧氏几何( Euclidean Geometry )的“新几何”。在回信中,高斯言辞恳切地写道: 现在谈谈你儿子的著作,当我说“我不能夸奖它”时,你可能会惊讶,但我别无可说,因为夸奖它就等于夸耀我自己。这篇文章的整个内容,你儿子采取的方式,所得到的结果,几乎处处与我的思考相同。这种冥思断断续续用了我 30 到 35 年的时间。事实上,我极为震惊…… 应当说,面对 “发现新大陆”——构造非欧几何( Non-Euclidean Geometry )的诱惑与后生小辈捷足先登的尴尬,“数学王子”高斯的反应是相当节制而不失优雅的。然而 150 年前,类似的故事却有着不一样的结局。 无耻的偷窃者! 1684 年的这个秋天,几乎所有剑桥师生都察觉到了卢卡斯数学教席办公室里散发出来的暴戾之气。因长年卓有成效的光学研究(特别是揭示色散奥秘与发明反射式望远镜)而贵为英国皇家学会( the Royal Society )会员的牛顿陷入了怒不可遏的疯狂状态。教授的愤怒来自于书桌上的一本德国杂志—— 10 月版的《教师学报》 ( Act s of the scholars ) ,更准确的是说,是其中的一篇文章——《一种求极大极小的奇妙类型的计算》 ( New method for maximums and minimums ) 。 这篇仅有 6 页的拉丁文论文的作者是德意志汉诺威( Hanover )布伦兹维克公爵( Duke Brunswick )的法律顾问、家族史官兼图书馆馆长 哥特弗里德·威廉·冯·莱布尼兹 Gottfried Wilhelm von Leibni t z (1646~1716) 据不完全统计,他的头衔:哲学家、数学家、逻辑学家、物理学家、化学家、气象学家、地质学家、生命科学家(解剖学、动物学、植物学)、历史学家、法学家、语言学家、外交家、政治活动家……这是按学科大类的罗列,而在当时很多分支学科尚未统一。如果考虑到后世兴起的学问,还有心理学家、计算机科学家、信息学家、符号学家、比较文化学家……虽然莱布尼兹生活的年代,博学是知识分子的必备素养,但放眼世界,能冠以“亚里士多德第二”之美名的也仅此一人而已。这是一种绝对不能复制的荣耀,虽然后世尚有昂利·庞加莱 ( H. Poincare ) 、贝特兰·罗素 (B. Russell) 享有“全才”之盛誉,但二人的博学程度即使合二为一也难望莱氏项背了。而在知识体系高度专门化的今天,即使一位年高德劭且声名远播的物理学大家稍微跨界的品头论足(比如就《易经》、中国教育、传统文化等公开发表一些看法)就会招致无数来自相关专家抑或热衷围观的路人的口诛笔伐,甚至还有赔上自己一生积累的学术声望的危险。 不可遏制的愤怒来自于别人的冒犯,冒犯 20 年前“老兵”悄悄藏下的“战利品”。莱布尼兹在这篇看似并不十分出彩的论文中提出了一个解决切线与求积问题的“新”思想——微积分( calculus )。他迫不急待地要向世人展示这锐利的新工具,却不知道那个远在英伦的唯一理解自己工作全部意义的“知音”的胸中怒火已成燎原之势,史上第一场盛况空前的“知识产权纠纷”悄然来临…… 这是一场旷日持久的战斗,并逐步从纯粹学术争鸣蜕变为赤裸裸的权谋拼杀,最后竟上升到了不列颠科学与大陆科学你死我活的荣誉之战。 表面上,牛顿与莱布尼兹的纠缠是关于所谓发明微积分优先权的意气之争,但实质却是这两位“同门兄弟”不可回避的宿命对决。 要追溯宿命的渊源,还是要回到两千多年前的古希腊。苏格拉底——柏拉图一门的理性精神传承至第三代即发生了分裂,逐步形成了以亚里士多德为代表的“博物学( natural history )精神”和以欧几里德、阿基米德为代表的“数理精神”(关于博物学与数理科学分野的详细论述,可以参考吴国盛教授的《反思科学》,新世界出版社 2004 版)。在基督教文明定鼎欧陆以前,神秘主义色彩浓厚的“数理精神”一直占据着理性世界的主流地位。期间,亚里士多德苦心经营的“博物学精神”虽然依靠着亚历山大大帝的全力扶持在古希腊世界迅速崛起,但很快亦随着这个庞大帝国的分崩离析而走入低潮。 13 世纪下半叶,神学巨人阿奎那的出现使得局面出现了根本性扭转,亚里士多德体系与阿奎那神学合流后凭借天主教强大的意识形态力量攫取了长达 4 个世纪的绝对统治地位。而传统的“数理精神”则在文艺复兴末期的伽利略、笛卡尔等人的努力下进入全面复苏的阶段。 现在,“数理精神”与“博物学精神”的新一轮碰撞就要在不列颠的“欧几里德第二”与德意志的“亚里士多德第二”之间展开,胜利者将作为理性世界的下一任主宰开启一个全新的时代。 鹿死谁手 作为亚里士多德衣钵传人,他继承了“老师”震古烁今的博学,也继承了“老师”那个令无数庸碌者胆寒的“野心”。 智慧的浪花, 要助产术来孕育; 宇宙的涡旋, 需几何来捕捉。 真理之海, 知识的蚌珠, 是逻辑去串联。 莱布尼兹匆匆走过苏格拉底、柏拉图、亚里士多德忙碌的“手工作坊”,他要批量地生产知识,他迫切地渴望效率。 笛卡尔认为,代数应该可以把数学机械化,使得思维变得简单,不需要再让头脑费很大的力气,数学的创造也极有可能成为自动的。甚至逻辑原理和方法也可以符号化,并且整个系统都能被用来把所有的推理过程机械化。 ——克莱因 M. Kline 《古今数学思想》( Mathematical Thought from Ancient to Modern Time ) 笛卡尔在生前未发表的著作《指导思维的法则》( Rules for the Direction of the Mind )中对古希腊以来的逻辑演绎进行了检讨,他认为无论苏格拉底助产术反诘、柏拉图醉心的几何证明还是亚里士多德的传统形式逻辑只能用来确认已知而不能帮助我们获得未知的事物。我们需要一种“普遍的科学”,一种真正的“发现真理的方法”。他将这种方法命名为“通用数学”( universal mathematics ),并以之为终生之追求。 1666 年,莱布尼兹在论文《论组合的艺术》( On the art of combinations )中初步阐释自己构建“通用符号演算”( universal characteristics )的重要思想,他将自己宏大到足以令“野心勃勃”的亚里士多德都感到震惊的目标定位在“使人们在任何领域中都能(至少在一定程度上)通过一种像算术与代数那样的演算来达到精确的推理”。 科学史上每一篇具有里程碑意义的论文都不会是简单的数据堆砌,它们更像是一篇篇文采飞扬的战斗檄文,以无所畏惧的勇气向某种陈腐宣战,以惊世骇俗的自信承诺下世人眼中的“不可能”,充满理智却不失激情。 《论组合的艺术》奠定了莱布尼兹“数理逻辑( symbolic logic )之父”的地位,也成为了他今后思索的指南。在“使真理昭然若揭,颠扑不破”的崇高目标指引下,莱布尼兹带着对符号( symbolic )丝毫不加掩饰的迷恋投身到了追逐无限的旅程。 与流数术的运动学套路迥异,莱布尼兹微积分的特色在于其严谨的符号体系。在莱布尼兹的世界里,简洁的符号不仅仅是表述上的胜利,而是对思维本身的优化。这是他宏大计划的一部分,也是他珍视的理想——一种值得誓死捍卫的东西。 牛顿与莱布尼兹,两个互为镜像的生命追随着各自的宿命,踏入微积分的战场。他们就像两个“在黑暗中并肩行走”(史怀哲 Albert Schweitzer 《我的青少年时代》 My childhood and youth )的人,彼此不知道对方的存在,朝着相同的方向“踽踽独行”,直到一丝亮光彻底破坏了宁静与和平。 在这场缺乏骑士风度的斗争中,幽居成癖的隐士却显示了他在暗处对整个社会人性的深刻洞察,进而表现出了令人惊异的城府与世故。一个世外高人竟然可以将心机手段运用得如此得心应手,以至于一个长年混迹于欧陆政治、外交圈子的官僚倒显得不谙世事。 1687 年,在莱布尼兹的《一种求极大极小的奇妙类型的计算》发表 3 年后,牛顿开始发难。他在自己的大作公然中宣称“ 十年前在我和最杰出的几何学家莱布尼茨的通信中,我表明我已经知道确定极大值和极小值的方法、作切线的方法以及类似的方法,但我在交换的信件中隐瞒了这方法 …… 这位最卓越的科学家在回信中写道,他也发现了一种同样的方法。他并诉述了他的方法,它与我的方法几乎没有什么不同,除了他的措词和符号而外 。” 1704 年,牛顿又在《光学》( Opticks )一书的附录中抛出了一枚重磅炸弹——“ 若干年前我曾出借过一份包含这些定理 ( 流数术 ) 的原稿,之 后 就见到一些从那篇当中抄出来的东西,所以我现在公开发表这份原稿。 ” 当教廷对异端丧失了最后耐心时,“天真”的伽利略却在给教皇写信申述自己对日心说的理解。面对立体舆论攻势的双管齐下——对信念的嘲笑与对人格的质疑,忍无可忍且同样“天真”的莱布尼兹毅然决然地把要求公正裁决的信函寄到了英国皇家学会—— 1703 年,牛顿当选英国皇家学会主席。 事已至此,无奈何也…… 1716 年 11 月 14 日,被胆结石带来的剧痛折磨了一周后,孤独的莱布尼兹获得了最后的解脱。这个路德宗家庭的孩子终生没有把自己托付给信仰,所以上帝可能没有在天堂预留属于他的位置。隔着时间织成的薄纱,我们隐约看见床前散落着两件东西:英国皇家学会谴责莱布尼兹“剽窃”的调查委员会报告与他自己于去世前起草的《微积分的历史和起源》( H istor y and origin of differentia l calcul us, 1846 年正式发表)。 远在伦敦的牛顿沉默了,就像他第一次以卢卡斯数学讲席的身份站在在剑桥的讲台上一样。他在沉默中享受,享受向挑衅者复仇的快感…… 这个争论是不幸的,也没有什么意义。 ——陈省身 《微积分讲义》 所谓无聊,就是聊胜于无。多少年后,科学史家郑重其事地写下了无聊的结论: 牛顿与莱布尼兹各自独立地建立并发展了近代数学分析; 流数术事实上就是微分学,反流数术其实就是积分学; 牛顿的发明早于莱布尼兹,但莱布尼兹的成果先于牛顿公开发表…… 或许历史本来就很无聊。 英国绅士们为胜利欢欣鼓舞,他们在大陆学者的怒视中获得了高傲的资本。剩下的一百年,他们将在这种持续性高傲中亲眼看着世界数学与物理的中心一点一点地向英吉利海峡的彼端偏移! 柏拉图——欧几里德一系的“数理精神”以压倒性优势获得了新时代的统治权。我们在牛顿的圣像下,不经意翻开一本《微积分》教材:满篇都是 “诅咒”——莱布尼兹的符号! 幽灵 大约公元前 5 世纪,毕达哥拉斯学派门人希帕索斯( Hippasus )在利用毕达哥拉斯定理研究单位正方形(即边长为单位 1 的正方形)时,发现其对角线具有不可公度( commensuration )的性质,即无法用两个整数的比值来表示。不可公约线段(数)的发现在学派内部引起了一场轩然大波,它像一个挥之不去的“幽灵”游荡在“教主”毕达哥拉斯亲手划定的数之疆域。希帕索斯的同门迅速集结到了捍卫师尊的旗帜下,他们谴责希帕索斯的大逆不道,羞辱他,囚禁他,最后把他投进了波涛汹涌的大海…… 那个致希帕索斯死命的数现在被表示为 它是人类发现的第一个“无理数”( irrational number )。也就是这个幽灵,令毕达哥拉斯学派陷入疯狂,进而引发了“第一次数学危机”( the first crisis of mathematics )。 两千多年后,第二个令人不安的“幽灵”出现了…… 1734 年,一部署名“渺小的哲学家” (the minute philosopher) 的哲学书正式出版,它有令人印象深刻的冗长题目:《 分析学家;或一篇致一位不信神数学家的论文,其中审查一下近代分析学的对象、原则及论断是不是比宗教的神秘、信仰的要点有更清晰的表达,或更明显的推理 》 ( The Analyst , subtitled a discourse a ddressed to an Infidel Mathematician , Wherein it is examined whether the Object, Principles, and Inferences of the modern Analysis are more distinctly conceived, or more evidently deduced, than Religious Mysteries and Points of Faith. ) 。这部书一时间成为了英伦上流社交圈的文化热点,因为再不学无术的贵族都能从题目看出作者的意图——对一个死人的攻击,“分析学家”或“数学家”以及“近代分析学”就是这位死人(可能还包括他的同道)与他的“流数术”,而所谓“不信神”云云则是野蛮人与卑贱者的标签。 这部书的作者 乔治·贝克莱 George Berkeley (1685~1753) 他当时的身份是爱尔兰基尔肯尼( Kilkenny in Ireland )教区主教,也是第二位应该进入科学史的高级神职人员(第一位当然是前辈阿奎那了)。在我们的历史或“哲学”书里他还有一个特定的称谓:主观唯心主义者,按习惯还可以在前面加上一个定语——“反动透顶的”。但在这部书里,他的首要角色是一位严肃的数学家,科学巨人牛顿最可怕的敌人! 已在天堂安享永恒宁静的牛顿不幸收到了贝克莱主教的杀气腾腾的挑衅。 亲爱的牛顿, 请你诚恳地告诉我, 如果你还残存对信仰的敬畏。 你那自鸣得意的“瞬”, 究竟是何方神圣? 它飘然而来, 因为要作你的分母; 它离奇而逝, 因为要成全你的流数。 你不需要它, 就判处它死刑; 你需要它, 又召唤出它的亡灵。 亲爱的牛顿, 你为何假狂妄而行? 难道是, 包容一切的主, 纵容你恶心的巫术? 这一次,牛顿不得不沉默(他已经离世 7 年了……),但不是在沉默中享受。他似乎也想说些什么,却欲言又止,留下了无可奈何的苦笑。 这一次,他明白:贝克莱主教亮出那个“已死量的幽灵”,上帝不会再眷顾自己了…… 应该庆幸,当流数术或微积分背后的应用魔力还没有恶性膨胀,人类还没有对形而上的纯粹麻木不仁,有一个宣扬“存在即被感知”的贝克莱,出于一种不合时宜的动机,为即将到来的“数理时代”敲响了警钟—— 自以为是的人啊! 你们陶醉于拔地而起的广厦, 别忘了它虚弱的根基。 无数优秀的数学头脑将被卷入“第二次数学危机”( the second crisis of mathematics ),这场噩梦要持续到 20 世纪。 其实牛顿也是幸运的。多亏这位彻头彻尾的唯心主义者,把不那么唯心的牛顿衬托得像一个进步的、革命的、甚至光芒万丈的唯物主义先锋。 达芬奇密码 在伦敦葬着“一位教皇”( A. Pope )藏下的骑士,触怒天庭的是他的劳动果实。你们寻找的圆球应该在他坟头,它有玫瑰般的肌肤和受孕的子宫…… ——丹·布朗 Daniel Brown 《达芬奇密码》( The Davinci code ) 在作家丹·布朗笔下,“达芬奇密码”纠缠着宗教符号学( religious symbology )教授罗伯特·兰登( Robert Landon )。从巴黎到伦敦,在危机四伏的惊险旅程中,他执着地思索谜底—— 触怒天庭的果实? 骑士坟头的圆球? 一个承载智慧的果实,一个催生真理的圆球! 苹果! 三位女神的争夺。 是史诗里的不详, 嫉妒的种子, 特洛伊之祸! 苹果! 在沃尔索普村坠落。 是第一把钥匙, 去理解宇宙, 上帝的伟大杰作! 作为牛顿一生的第一个关键词,学者生涯的巅峰象征,苹果,就像比萨斜塔坠落的两个铁球,进入了后人不厌其烦构造的传奇。 2009 年 11 月,英国皇家学会在互联网上公布了牛顿好友及其传记作者威廉·斯蒂克利( William Stukeley )在公元 1752 年撰写的手稿: After dinner, the weather going warm, we went into the garden, drank tea under the shade of some apple trees; only he and myself. Amidst other discourse, he told me, he was just in the same situation, as when formerly, the notion of gravitation came into his mind. Why should that apple always descend perpendicularly to the ground , thought he to himself; occasion ’ d by the fall of an apple, as he sat in a contemplative mood …… 传奇的始作俑者就是牛顿,他确实需要为自己构造传奇! 1684 年 8 月,皇家学会会员、牛津大学( Oxford University )教授 埃德蒙·哈雷 Edmund Halley (1656~1742) 造访剑桥,造访那个传说中性情古怪的隐士教授——伊萨克·牛顿。 这是一次具有历史意义的会面,牛顿教授以极其难得的耐心安静地聆听客人滔滔不绝的讲述。哈雷先生带来的天体运动话题是一个困扰了天文学家半个多世纪的难题。 自从“星空立法者”开普勒建立三定律完美地描述了天体运行几何路径之后,对行星椭圆轨道背后隐藏的物理机制的追溯就成了天文或物理学研究的焦点。开普勒本人、“近代实验科学的真正鼻祖”(马克思语) F. 培根、“近代科学之父”伽利略、“近代哲学之父”笛卡尔、法国天文学家布里阿德( I. Bulliadus )……均对此提出了特色鲜明的个人见解。截至目前,大家已经普遍认同束缚天体在椭圆轨道上运转的机制是一种恒星对天体的吸引力,其大小应该与行星距太阳的距离的平方呈反比关系,是为平方反比律( Law of inverse square )。 类似于封建领主乐于在辖地内圈地立碑,针对某些前沿问题发出自己的声音,自古以来就是一个学者向世人特别是同行宣示其存在的首要办法。但这个规律并不适用于牛顿,至少在公共场合,这位有着无比尊贵学术身份的卢卡斯数学讲席一直与竞逐真理的轰轰烈烈保持着相当的距离。 哈雷热情洋溢地介绍着自己的工作,说到激动处甚至用双手在空中不断地比划,与在一旁“俨若思”的牛顿比较起来竟有些滑稽。一位学者难以自抑的激动是可以被理解的。早在 1679 年,哈雷就已经在荷兰学者 克里斯蒂安·惠更斯 Christian Huygens (1629~1695) 向心运动研究的基础上从开普勒定律出发严格推导出了平方反比律。整整 5 年过去了,研究封顶的最后一步却成了迟迟不能跨越的鸿沟。现在,他以及所有志在于此的通道都迫切需要确立平方反比定律在天体运动研究中“核心地位”,通俗地说就是完成最后一个数学证明:从平方反比定律推导出行星运行的椭圆轨道方程。这就是哈雷前来造访牛顿的毫不掩饰的动机,他坚信在热闹喧嚣之外默默注视事态发展的世外高人必定是最后的希望。 我已经证明了…… 牛顿漫不经心的一句话终止了哈雷全部冗余的铺垫。这个在内心深处期待了无数次的回应却让哈雷彻底失语,他猛然用双手扶住眼前的桌子以支撑颤抖的身体,两眼直勾勾地盯着面无表情的牛顿——这个突然降临的天使! 诚实地讲,后面的情节有些匪夷所思。 牛顿告诉哈雷,计算的手稿已经遗失。但沉浸在强烈崇拜情感之中的哈雷顾不得多想,他以一种近乎乞求的姿态恳请牛顿重复他的证明。 牛顿同意了,随手抽出一张稿纸开始了演算……他并没有察觉到又一场没完没了的斗争已经悄悄袭来。 又是你! 这一次,牛顿的敌人是“老朋友” ( 这是后来的艺术家 虚构 的胡克肖像,胡克本人的肖像已尽数被“牛哥”付之一炬了 ) 罗伯特·胡克 Robert Hooke ( 1635~1703 ) 这个曾经卑微的实验员,现在已经是享誉英伦的大学者。他拥有实验派广泛的爱好,兴趣遍及物理学、化学、地质学、生物学、天文学、机械学、建筑学等。即使与莱布尼兹相较,他也达到了一种技术层面但不失睿智的博学。 此类争吵简直就是邪恶弱点的表现,是由那些卑劣的民众助长的。 ——路德维希·维特根斯坦 Ludwig Wittgenstein 《杂论集》 (Vermischte Bemerkungen) 胡克与牛顿的第一次交锋是在光学领域,支持“波动说”( wave theory )的学界前辈与宣扬“微粒说”( particle theory )的学术新秀势成水火。就像“地心说”与“日心说”的公正判决要留诸后世一样,关于光本性争论的终结也自然不能立竿见影。但是这场争斗还是在围观者的起哄声中被渲染上了讽刺的色彩。 1675 年 2 月,身材矮小的胡克教授收到了一封极度无礼的回信。年轻气盛的牛顿极尽尖酸刻薄之能事,留下了他的“千古名句”: If I have seen further, it is by standing on shoulders of giants! 如果说我(比笛卡尔)看得远,那是因为我站在巨人的肩膀上! 围观者纷纷抄下这诗句般的豪言壮语,争相传颂,选择性地遗忘隐藏在字里行间的一段小字: 胡克,你这个矮子! 10 年后,两位学者再次狭路相逢。其实在此之前,牛顿与胡克二人就引力问题已经进行了几轮友好且卓有成效的学术通信,二人相互启发共同驱驰在逼近真理的道路上。 但在终点隐隐可见的时候,巧手胜于精思的胡克渐渐力不从心了。只有一个勇士配享有进入贮藏宇宙奥秘的圣殿的荣耀。上帝选择了牛顿,因为他奉祀上了独一无二的祭品——流数术! 不列颠教皇 1687 年,在哈雷的催促与资助下,牛顿发表了自己最后一部作品: 《自然哲学之数学原理》 Mathematic Principles of Natural Philosophy 牛顿用这部书向远方的导师——欧几里德致敬,他固执地沿袭《原本》体例,从公理到定理,一步一步完成开普勒三定律的证明——宇宙的终极法则——万有引力定律( Law of gravity ) 横空出世,它被“出人意料”地安排在论证的终点,作为一个数学结论第一次展示在世人面前。牛顿深以这样的安排而得意,非如此何以令自己极尽所能展示那令凡夫俗子眼花缭乱的数学技巧;非如此何以让不自量力的挑战者畏而怯步;非如此何以让千万世人不分种族,不分国别,不分意识形态通通拜服在自己脚下! 1668 年,牛顿从剑桥大学毕业,旋即做出了令所有人瞠目结舌的举动:笃信上帝的他拒绝按大学惯例接受圣公会( the Anglican Church )的神职。 只有渺小的灵魂, 才会在祷告与弥撒中, 乞求上帝的怜悯。 我, 伊萨克·牛顿, 在此立誓: 必以数学 侍奉天主; 自然哲学, 重释《圣经》! 离群索居者不是野兽,便是神灵。 ——亚里士多德 《政治学》 20 年后,孤独的隐士牛顿像一个希伯来( Hebrew )先知一样,手执“书中之书” ( the Book of books )——《原理》( The Principia )归来。天主教、东正教、路德宗、加尔文宗( Calvinism )、圣公会……,分裂的教会竟然“统一”了,统一于他们共同的愤怒:这位不列颠先知窃取了侍奉主的特权,他传布星辰运转的奥秘,他告诉大家:上帝是需要用数学去理解,用自然哲学去描述。 无论看懂与否,无数人传阅,无数人狂欢,无数人顶礼膜拜。有人说《原理》是一部伟大物理书,我们立刻以怜悯“欣赏”他的浅薄!人们像是雅典人欢庆“马拉松大捷”( the great victory in Marathon ),人们以理性先驱躲避的狂热欢庆人类理性的全面胜利—— 一个凡人的理性, 竟可换取, 主宰星辰的权利, 那上帝, 小心隐藏千万年的秘密? 黑暗中哭泣的魂灵, 扬起头颅, 高傲地, 以理性的名义, 告别, 内心深处的恐惧。 物理学需要这种被解放的狂热,文明的进程在所有人自觉或不自觉的亢奋中开始加速。 上帝需要新的代言人,于是罗马变成了不列颠,教廷从梵蒂冈“迁”到了伦敦,而先知在众望所归中晋位“教皇”。 谁也没想到,第一个朝拜者竟是罗伯特·胡克。他双手捧着《原理》,按一个失败者理解的“合理性”向作为真理书写者的先知提出了最后的请求——他希望在理性的“圣经”中有一个应该属于自己的位置。 先知沉默了,他从怀里掏出一个苹果,一个据说是 1666 年某一天从沃尔索普村某棵苹果树上坠落的苹果…… 你不配! 胡克吃惊地瞪着苹果,堕入绝望的深渊。 作为一个科学家,与伊萨克·牛顿共处一个时代就是全部悲剧之源! 1703 年 3 月 3 日,罗伯特·胡克带着他的绝望离开了这个世界。同一年,伊萨克·牛顿当选皇家学会主席,新官上任的“第一把火”便烧掉了学会内部所有的胡克肖像…… 麦琪的礼物 They also opened their treasures and presented it with gifts, 他们揭开宝盒,奉上礼物, gold and frankincense and myrrh. 黄金、乳香、没药。 ——《圣经·马太福音》 1696 年,牛顿离开剑桥,移居伦敦,出任皇家造币厂督办, 3 年后晋升厂长。在这期间他频繁地接触到一样东西,黄金——牛顿人生的第二个关键词,甚至还有一次失败的股票投资经历。但是需要说明的是,牛顿的志趣并不在于像凡夫俗子一样追逐世俗的金币,他的渴望是东方贤者的供奉——象征基督的荣耀。 现在,我们脱去牛顿科学家的外衣,还原本来面目。 我放弃数学, 因为数学止步于引力, 我守望着宇宙运转的模型, 欣赏着上帝统治的把戏, 却不知道混沌的真正开局。 我承认自己的野心, 我还要知道, 知道上帝最后的秘密。 古老的“第一动因”, 亚里士多德之谜。 谁赋予方程, 初始的条件? 谁给了星辰, 切向的轮回? 宇宙那隐秘的开端, 要隐秘的力量去探寻。 “数理精神”发生了戏剧性的逆转,从伽利略退回阿基米德,从阿基米德退回欧几里德,从欧几里德退回柏拉图,直到毕达哥拉斯那原始的神秘主义。科学家伊萨克·牛顿的面具下是一个隐藏了很久的陌生人—— Jeova Sanctus Unus (牛顿拉丁语名字的易位变体,意为“神选中的人”),人类历史上“最后一位炼金术士( alchemist )”。他一直在进行科学家没有且不能完成的任务,不满足于描述上帝——宇宙的运行,而要解释上帝——宇宙的开端,他要解决古老的问题,需要古老的方法。 1691 年 12 月 30 日,皇家学会的创始人之一、牛顿在剑桥的同事 罗伯特·玻义耳 Robert Boyle (1627~1619) 去世。这位“近代化学之父”留下了数量可观的炼金术资料,这些东西很快就被牛顿通过各种各样的办法收入囊中。一贯在信仰问题上我行我素的牛顿坚信,上古贤者流传下来的炼金术蕴含着上帝创造宇宙的全部秘密。 他疯狂地查阅上古的典籍,搜寻“哲人石”( Philosopher ’ s stone )的踪迹。他在沸腾的坩埚前度过了无数个日日夜夜,他甚至迷恋上了水银的味道。支撑他的是一种像被鸦片引诱的欲望,在“点石成金”的瞬间还原太初有道的景象。 他释放了异教(反三位一体)的狂热,幻想自己就是复临的基督,担负着拯救人类的使命,他又重新拾起数学武器不知疲倦地考据传说的年代,推演《圣经》的密码,计算世界的末日…… 耶稣基督出生的那天是 12 月 25 日,但不是每一个生日是圣诞节( Christmas day )的人都会成为救世主! 牛顿依然离群索居、孤僻怪异,在理性的科学外衣下是炼金术士无处安放的灵魂。他始终等不到东方贤者的礼物( Magi gifts ),他痛苦、扭曲、挣扎,他在自己铺天盖地的炼金术与圣经密码手稿中陷入了彻底的绝望! 这是一段徒子徒孙们讳莫如深的历史,也是不归化者嘲笑先知的谈资。伊萨克·牛顿走上了神坛,而“神选中的人”沉入了历史。 我们沐浴在理性普照的光辉,新的“炼金术士”已经集结在法国与瑞士的交界——日内瓦( Genevese ),整个世界砸下了数以亿万计的资金,物理学“军备竞赛时代”的巅峰之作、一个更大的“坩埚” ——万众瞩目的大型强子对撞机( Large Hadron Collider, LHC ) 开始启动。 头戴安全帽的物理学家表示,他们已经做好准备,聆听上帝隐藏的最后秘密…… 加冕礼 天不生仲尼,万古如长夜。 ——《朱子语类》载朱熹引佚诗 儒略历,公元 1727 年 3 月 20 日,日不落帝国的理性太阳步入了生命的黄昏。 孤僻的科学家、绝望的炼金术士: 伊萨克·牛顿爵士 Sir Isaac Newton 在伦敦逝世,享年 84 岁。 不列颠为他们的先知、圣人、教皇举行了规模盛大的国葬( State funeral ),在此之前这是天潢贵胄才配享有的礼遇。王公大臣、文人雅士、贩夫走卒纷纷涌上伦敦街头,他们要亲眼目睹出殡的盛况。 两位公爵、三位伯爵和一位大法官恭顺地抬起牛顿爵士的棺椁。漫长的送葬之路上,世俗的权位在思想之灵前虔诚地匍匐。 威斯敏斯特教堂( Westminster Abbey ),伟大灵魂的安息之地。 葬礼主持人、诗人亚历山大·蒲柏( Alexander Pope )深情地朗诵《创世纪》般的诗篇: Nature and natural law lay on the night, 自然与自然律沉浸在混沌之中, God said: Let Newton be! 上帝说:让牛顿去吧! All was light. 于是万物都有了光亮。 来自五湖四海的追随者热泪盈眶,他们为智慧的凋零而惋惜,更为与这个伟大灵魂同处一个伟大时代而感到无上光荣。他们在心里一遍又一遍默诵圣贤临终的垂训: 我不知道在别人眼里,我是什么样的人;但在我自己看来,我不过是在海边玩耍的小孩,为偶尔拾起沙滩上美丽的珍贝而沾沾自喜,而对不远处浩瀚无边的真理海洋,却全然没有发现…… 这是一个从来不知道谦逊的灵魂,在临终前的自我救赎。作为上帝的赏赐,他将与他的老师、朋友、追随者乃至敌人一道安享“创世”的永恒荣耀。 这一殊荣负载于他们创立的不朽——被命名为“经典物理”( Classical physics )的超级帝国,它的疆域遍及整个世界,它的臣民来自整个地球。 波斯、马其顿、罗马、阿拉伯、蒙古……人类数千年文明史,试问哪一个幅员辽阔的帝国能与之匹敌? 开普勒定律、牛顿运动定律、万有引力定律、玻义耳定律、胡克定律、动量守恒定律、能量守恒定律……翻开一部牛顿帝国的“法典”,试问还有哪一部世俗的条款比得上这些上帝亲笔写下的律令? 近代之门 在成千上万的送葬队伍中,有一位 34 岁的法国流亡者弗朗索瓦·玛丽·阿鲁埃特( Francois Marie Arouet ),他有一个我们十分熟悉的笔名: 伏尔泰 Voltaire (1694~1778) 在一种灵魂深处的震颤中,伏尔泰激动地写道: 一些知名人士在讨论谁是最伟大的人物 —— 是恺撒、亚历山大、成吉思汗、还是克伦威尔?有人回答:毫无疑问是 伊 萨克 · 牛顿。非常正确,因为我们应该尊敬推崇的正是以 真理的力量 来 统帅我们 头脑的人,而不是依靠暴力来奴役人的人,是认识宇宙的人而不是歪曲宇宙的人。 伏尔泰矗立在精致的棺椁前,久久不愿离去。他下定决心要将这个死人塑造成光芒万丈的真理之王、理性斗士。他要让他的法兰西沐浴《原理》的阳光,他要在“事出必有因”( Everything happens for a reason )的力学中酝酿摧枯拉朽、席卷欧陆的启蒙( Enlightenment )风暴,他要高扬理性的旗帜审判暴君,他要用牛顿的圣像砸开通往近代世界的大门!
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牛顿:一个不知道“道歉”为何物的主
热度 28 xcfcn 2012-4-1 15:01
牛顿:一个不道歉的主! 博主按:牛顿是天才,有人说:“如果 17 世纪就有诺贝尔奖的话,牛顿老师至少能连续垄断 4 届物理学奖(分光计;力学体系的构建;反射望远镜;万有引力),同时为了表彰他在炼金方面的造诣,再奉送他一届化学奖。而且这家伙鼓捣出了流数术 / 微积分,所以菲尔兹数学奖也要给他。要知道,他的这些发现基本都是在 26 岁以前获得的, 30 岁以后牛顿就开始玩票了,成天琢磨上帝和炼金,以及怎样把莱布尼茨搞臭,捎带手的把以前的发现整理成书。” 但与此同时,牛顿的性格是有重大瑕疵的。他跟胡克和莱布尼茨的争论是众所周知的历史公案。他跟胡克争论是光的波动性还是粒子性以及万有引力定律的发明权;跟莱布尼茨当然是争论微积分的发明权,为此他不惜雇用枪手大骂甚至不惜化名亲自去骂莱布尼茨,这实在没有必要。争论也严重影响了德英两国 100 多年的学术交流。 至于跟胡克的争论,当然也让光的波粒二象性的历史更加曲折。而且几乎彻底屏蔽了胡克几百年。而且,牛顿当上皇家科学院院长后,作为院士的胡克唯一的画像却莫名其妙的失踪了,导致后人从此不识胡克的庐山真面目。(据说胡克比较丑,十分不爱画像,就留下那么一张也被毁了。)事实上,胡克是 17 世纪的科学巨人,被称为“伦敦的达芬奇”,更难得的是,胡克是不可多得的实验奇才,万能接头的发明者,“ cell ”是他老人家 coin 的!波义耳定律的实验其实是胡克做的,因为实验需要高超的真空技术。 当然牛顿跟莱布尼茨和胡克的争论涉及到当年“知识产权”的界定还不严格 / 清晰的问题,但是牛顿性格暴戾乖张也是事实。据说牛顿一辈子除了发现哈雷彗星的哈雷就没有一个朋友。在他人生的字典里似乎根本就没有“道歉”两个字。但其实,人类的高贵恰恰是人类是一种会“道歉”的物种。 PS:我无意于批评谁,只是觉得只要是人总是不完美的,或许我们对天才需要多一点宽容。当然就怕有人不是天才却有着常人难以忍受的怪毛病,这样人际关系就难免紧张,不利于和谐社会的成长。:) PPS :其实我不愿意去批评任何一个人,包括伟人。我总是想走到他的内心世界去一同感受。 我转这篇文章,一是牛顿人品差几乎已经是科学史界的共识。二是想告诉大家牛人自然牛,但他也有自己的缺陷。从历史来看,这些缺陷只会凸现他的伟大,虽然他的行为也确实曾经给他周围的人带来困扰。 但孔子也说:“君子之过也,如日月之食焉。过也,人皆见之;更也,人皆仰之。”所以也没必要为君子讳。 科学巨匠的认知冲突———论牛顿、胡克间的科学公案 文 / 王珂 WORLD CULTURE 一 1671 年底,一架设计巧妙,制作精致,仅约半尺长的天文望远镜,被带到英国皇家学会。在这些世界一流的科学家会员挑剔的目光中,它被接受、认可,甚至受到高度赞许。望远镜在为国王查理二世演示后,皇家学会秘书便给望远镜的制作者写去一封态度谦恭的信函,称这件天才制品已经“此地最杰出的光学家和仪器专家检查过,他们都十分赞赏。”尽管如此,这架望远镜的制作者却并不感到意外,因为他早就对此有着充分的信心。此前,他曾告诉过朋友,自己的这架望远镜有能力放大“几乎四十倍的直径,比任何 2 米 长的折射天文望远镜都强得多。”他甚至自负地说:“我认为它的清晰度极佳,我曾经清楚观测到圆圆的木星及其卫星群,也看到金星的角。” 其实,我们不必为这样的自信过于惊异。因为这位天文望远镜的制造者,是那位以神异天才,揭示出众多自然奥秘的科学巨匠———牛顿。虽然他当时只有 28 岁,而望远镜制造时他仅 26 岁,并且,这是他独力完成的:自己配方做成合金制造反射镜、自己做模型、自己打光、 做镜筒,装置部件,调整角度……这样的操作能力,今天的许多学者仍感到不可思议。因为这架望远镜所包含的充分科学分量,牛顿被天文学家沃德,提名为皇家学会院士候选人。很快,牛顿顺利当选。在收到当选通知后,牛顿当然高兴,但他并不满足这有限的制作,他希望在皇家学会的例会时:“提出我发现的一种光学理论……这理论是引发我制作该望远镜的原因,我深信公开这理论比公开望远镜更加有意义。我认为到目前为止,对于大自然的运作而言,它如果不是最值得重视的理论,也可算是最奇特的现象。” 二 不久,牛顿的一封长信寄到了皇家学会秘书奥尔登伯格手里。这其实是一篇论文,也就是他前面所说“最奇特的现象”的《光与色的理论》。两天后,他的这篇论文在皇家学会宣读,并引起了大多数人的欢迎。但是,论文也很快受到质疑。这质疑来自一份关于牛顿论文的阅读报告:“我已经拜读过牛顿先生的大作……他的观察是如此新奇和完美,令我非常高兴。但是,虽然我完全同意他所陈述的都是事实,因为那些东西都已被测试过千百遍,产生的结果也都一样,但坦白讲,对于它用于解释颜色的假说,我尚未亲见足以说服我、使我无法否认的雄辩证明。至今为止,自我所从事的实验和观测,甚至从他所说的实验中,我完全可以证明光是一种脉冲,或者说它是在均匀、一致和透明的介质中传播的一种运动。”从报告的行文,我们可以看出,这质疑人是一位行家里手。不错,这份报告的作者,是一位早已成名的自然科学家。他早在 1665 年,就出版了划时代的《显微术》,在光学研究领域有极高造诣。他的名字,今天凡上过中学物理课的人都知道:他就是由其名字命名“弹性定律”的发现者———胡克。 早在牛顿之前,胡克在自己的研究著述中,就支持光的波动学说,而牛顿则相信光是由微粒组成的。(现代物理学认为,光具有“波粒二象性”:既是波,又是粒子)而当时,也许胡克对自己研究成果的坚信及本能保护,对牛顿的新理论提出质疑,应该是可以理解的。而牛顿对自己理论的坚信和保护,也几乎是本能的。在回复皇家学会秘书的信中,他自信地说:“且细想以胡克先生这样严谨的反对者审阅我的论文的感受,很高兴他没有贬低其中任何部分……我毫不怀疑,经过更严谨的检验之后,将会发现我所言者确属事实。” 这种自信显然刺激了老资格的胡克,他开始了对牛顿的挑剔和指责。牛顿在论文开头强调:假说与可以验证的事实并不是一回事,但在叙述过程中,他却声称:“不需再争论……光是否为一种物质。”这显然就将“假说”与可验证“事实”看作同一回事了。胡克抓住了这一点,认为牛顿这一学说不过是一项未经证实的假说。这使得牛顿受到打击。 据一位科学史家研究,牛顿对光的认识观点最初还在微粒和波动两者之间有所摇摆,并没有全然否定波动说。可有意思的是,当受到胡克批评后,他却毫无保留地支持光的微粒说起来。这究竟是认识更为深入导致坚定,还是带有些许意气而产生心理抵触的异常反应,就不得而知了。从事后的情形看,新锐的牛顿显然更在乎这次与胡克的冲突。经过了几个月的周详思考,他写出了一篇反击的长文。他在信中这样说: “胡克先生认为他只是非难我搁置了那些可改进光学理论的见解,也就是折射,但是他清楚了解一个人不应为别人的研究立下范围,尤其是尚不知道别人的研究以何为基础时。假若他私下写信给我要求为此说明,我当会告知我在那方面已有多次的成功实验……” 他反驳了胡克认为他的论文中存在假说:“我并没有说绝对的肯定,我以‘或许’这两个字来表示,最多只是暗示出它导出这原理的极佳结论,而并非以它为基本原理。”牛顿全面反驳着胡克的每一点批评质疑,在文章中不断提到胡克的名字。后世有人甚至夸张地形容牛顿此文“实际上用胡克的名字串起了一首叠句诗。”在皇家学会,这篇文章被当着胡克的面宣读,并在最后正式要求胡克将牛顿原来的论文重新作一次完整的评估,甚至要求把牛顿论文里表述的实验再做一次。胡克虽然是皇家学会的实验主任,做此实验也是应尽之责,可在这样一种状态下做这样的实验,内心的情绪,也可想而知。在科学界,一种新的理论的产生,受到各种质疑,应当难免,可对于牛顿这样思维上走得很远的天才,却似乎感到格外不能忍受。所以在不久后又有人对其理论表示异议时,他颇为恼怒地回复皇家学会秘书:“先生:我要求您同意,我不愿意再做皇家学会的院士了。因为虽然我很尊重这个团体,却看不出我还能对它作什么贡献,何况我距离甚远,出席会议又无法使我获益,因此我要求退会。”为了维护自己的理论,他连科学界的崇高位置也弃置不顾。此后,牛顿很长一段时间对于皇家学会不闻不问。也许,痴迷于科学研究的他没有功夫再为他已经走过的路做什么证明了。 三 胡克与牛顿之间结下的矛盾是很难化解了。 1675 年,有人给牛顿写信,透露了胡克私下里的一些说法。牛顿回信说:“那不过是合理的正义,让我有机会对那无端向我抛来的污蔑作辩解,我要求胡克先生向我指出,到底哪些地方是如他所暗示的,取自他的巨著《显微术》。”但是,胡克后来绕过了皇家学会的秘书,直接与牛顿通信。这样就避免了公开争论带来的种种情绪,在绅士风度下运用彼此可以接受的礼貌言辞,虽然从其中的含义去分析,双方的态度仍是厌恶和不信任。 1676 年 1 月,胡克在一封致牛顿的信中说: “我以公正的态度评估你那精彩的论文,十分高兴看到文中将我很久以前就提出却没有时间完成的观念改良和推广了。我确认你在这方面所下的功夫比我深得多,也确信无法找到比你更适合、更能干的人才来研究这些题材。你把我尚不成熟的工作在各方面都做到完善、有条有理、极具改革精神。如果我从事的职务允许的话,这都是我想自己完成的事,尽管我很清楚这只需要具有比你稍微低一些的才能就可以完成的。” 在回函里,牛顿的措辞也十分收敛:“在哲学方面,我最希望避免的莫过于争辩;而各种争辩中,我最希望避免的莫过于用白纸黑字的方式公开。”有论者认为这话说的有些虚假,但对于牛顿这样珍惜时间的人来说,未尝不发自深心。在这封信里,牛顿还写有为后人广泛 引用的一段话:“笛卡儿踏出了很好的一步,而你则推进了许多方面的发展,特别是将薄片间的色彩也引入哲学的思考范围。假如我看得比较远,那是因为我是站在你们这些巨人的肩膀上。”今天有英国传记学家认为这是牛顿对胡克身材矮小扭曲的刻薄咒骂,不知是否符合实际。不过以笔者按常理看去,牛顿还没有这么狭隘,不应当如此经心地用反讽的双关语去辱骂一个他本来应当尊重的同行。 胡克后来在皇家学会演示了牛顿《光与色的理论》论文里的实验。虽然时间已经迟到学会收到论文的 4 年之后,想来牛顿论文实验,做起来不会那么轻而易举。冤家路窄,在研究顶端的科学家中,此话也许更适合。 1679 年 11 月,胡克打破了双方几年的沉默,主动致函牛顿。在信里,他以兴奋的笔触报告了自己的研究计划,并希望在研究行星运动问题上能获得牛顿的意见: “如果你愿意来信对我的任何假说和意见提出不同看法,我会视为对我的最大恩惠。”为了表达善意,牛顿在回信中对一个科学题目作了解答:“那是我自己对于地球每日自转的一个想象的演算。”这是一个老问题:如果一物体从高塔落下,会因地球自转而偏离塔的正下方吗?牛顿的结论是,若略去空气阻力,物体触地点会稍偏向塔的东边。他依据计算画出图形,认为物体下落时呈螺旋线。但不幸此结论有误,胡克立即发现:倘若实验塔正好建在赤道,那么物体将在塔偏东处着地;在伦敦则触地点会偏南多于东边。并且在胡克的研究里,物体下落是沿着椭圆线路,而并非如牛顿认为的螺旋线。 对于牛顿的失算胡克有些自得。他在皇家学会公开了牛顿的看法,之后才将自己正确的结论拿出来。这是私人间的通信,本没有必要这般大张旗鼓,可大约为自己能纠正牛顿失算而自鸣得意,胡克似坚持了科学,却没有顾及到牛顿的心理。对此,牛顿保持了作为科学家的应有之态,他回信承认了自己的失算:“如果在我们所处的纬度上,物体自高处落下,其触地点我同意会偏南比偏东多一些。”但他仍坚持物体不会沿椭圆形路径下落。 四 1686 年,牛顿的伟大著述《原理》即将由皇家学会出版。胡克读到了其中的部分。他认为,其中的重力与距离平方成反比的定律,是从自己论文得来的概念,尽管计算出来的曲线完全是牛顿的发明,所以,他希望牛顿能在序言中做点声明。 当一位知情人士将这些情况写信告诉牛顿后,牛顿大为恼怒。他重新仔细检查了一遍《原理》手稿,从中删掉了绝大多数有关胡克的引用。剩下不多的,语气也从“非常尊敬的胡克先生”,变成“胡克”。这一次,他们之间算是彻底崩裂了。 之后,牛顿与胡克在研究问题上还发生过辩论,不过落在文字上,倒见不出多少剑拔弩张。倘不带偏见,平心静气看去,彼此之间的确有着相互启发的效用,虽然从个人友谊说,那是没有任何增进的。牛顿与胡克,都是不世出的伟大人物。由于在相同领域的研究,引发了数次辩论,并最终导致了完全的抵触。这桩学案,引起了许多当时及后来人的兴趣。解释的方式也各有不同。有人从性格方面探讨,认为牛顿生活方式谨严,为科学可称得上鞠躬尽瘁;而胡克却喜欢泡咖啡厅,开瓶甜酒与朋友随意聊天,还带着情妇相伴……有人或站在牛顿立场,认为胡克“大话连篇”,“没有信用”,甚或称其为“骗子”,“靠猜想和碰运气来沽名钓誉”云云;或以为牛顿“人固然杰出,但却是一个满腹偏见,自作主张和自我陶醉的人。” 但是,细检两人的论争情形,可以看出,问题大都集中在科学成果的正确与否或发明先后上。这些,恰恰是作为科学家赖以安身立命的根本,是他们不能不特别看重,并刻意去维护,辩解的。在人格上,倒没有见到多少他们相互指责的地方。即便如此,在科学家必须要求的实事求是态度上,他们却保持了必须的尊重。胡克伟大著作《显微术》出版时,牛顿曾经详细阅读过,并表示十分钦佩;胡克在通信中指出物体坠落地球的轨道为椭圆线,虽然牛顿当时并未同意,但后来却由此启发,导出了圆形运动的平方反比律的数学公式,并在多年后给友人通信时坦承:“胡克纠正了我的螺旋路径,引发了我重新探讨椭圆形,才能使我发现这个理论。”这样的态度,使我们不仅在科学成就上,更在人格上对他们十分敬重。其实,类似牛顿、胡克间的论争,我们还可以常常在生活中见到,不过由于相互诋毁,甚至辱骂,上不了档次,很快被人笑忘。而牛顿、胡克彼此名气特别大,他们的论争也容易被格外放大,因而成为数百年流传下来的一桩公案。可是,他们在论争中,却收到了相互启发,而非相互消减之效,这是后人在陈述时应特别强调、仿效学习的。这,也应当是我们今天来论述这桩公案的一个重要的现实理由。
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如何看牛顿和胡克?
liwei999 2010-10-15 15:31
如何看牛顿和胡克? (753 bytes) Posted by: mirror Date: August 19, 2008 12:30AM 科学史上著名公案牛顿-胡克之争 是方博士最近的一篇文章。对比牛字,用虎字也许更好些。 历史上有没有牛顿-胡克之争?应该讲没有。好比讲陈独秀与毛泽东的之争,不能成立。科学史学界的见解是:虎克的历史地位比通常理解的还要高大,他的业绩被人为地贬低了。人们认为牛顿伟大的另一个因子是学术界片面地夸大了数理方式在物理科学当中的作用,而忽略了物理科学同时还是实验科学的这一个侧面。 好在这两个人都是英国人,作结论的也是英国的科学史学界,可以令人信服了。评反工作二战之前就有了。陈独秀与毛泽东哪个伟大呢?应该算是个愚问。虎克平反了,而陈独秀依然没有被平反。 所谓伟人,就是那个人在那个时代的作用具有不可代替性。而这个不可代替性非亲临现场也是很难理解的。 http://www.starlakeporch.net/bbs/read.php?1,33677,33677#msg-33677
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从噗噗噔儿谈到非线性
热度 4 武际可 2009-5-28 09:12
从噗噗噔儿谈到非线性 武际可 噗噗噔儿,是一种甩玻璃吹制而成的玩具。吹制的办法是,先将玻璃拉成一根管子,然后将它的端部吹成一个球,最后趁玻璃还软,在一个微凸的平面上一摁,使底平面略向内凹,待冷却后即成。通常多为暗红色或红褐色。图1(b)是清朝同治光绪年间民间艺人画的彩色画北京民间风俗百图中的卖琉璃喇叭图,图中左筐上边即有几只噗噗噔,它的形状如图1(a)。图1(c)则是40年代的一张民俗剪纸,右筐上也插着几只噗噗噔。据日本学者林谦三的考证,噗噗噔大约在江户时代(1603~1867年)传入日本,称之为鼓珰(poppen)并附有一张插图(图1(d))。 由于它的底薄如蝉翅,且略凹,玩的时候对着管端轻轻吹气,当内部气压略大时,底儿便变形而突然外凸,随之噗地一响;然后再吸气,随着内部压力减小,底儿又噗地一响变为向内凹,这样一吹一吸,便响个不停,很好玩。 但是,由于这种玩具很易破碎,不小心能够划破皮肤,再加上新的电子玩具的出现,所以近几十年来生产很少了。早年它却很流行。它的名称很多,北京一带也称不不登、倒掖气、倒掖器、响葫芦;山西一带则称咯嘣儿、琉璃咯嘣儿;广东一带称料泡等。 噗噗噔儿在中国发明得相当早,在明末刘侗、于奕正合写的《帝京景物略》中有记载:别有衔而嘘吸者,大声哄哄(hǒng),小声唪唪(běng),曰倒掖气。可见它的发明当不晚于明末。书中还记有一首儿歌,现录在下面: 倒掖器,如瓶落阶瓶倒水。 匀匀呼吸吹薄纸,吸少呼多瓶脱底。 藏爹钱瞒爹眼里,迷糊琉璃厂甸子。 儿迷糊,倒掖器,爹着汗,嬷着泪。 这首儿歌的大意是:倒掖器玩起来,它发出的声音有如瓦盆掉在台阶上或小口瓶往出倒水,由于它很不结实,所以必须均匀地吹吸,就像吹一张薄纸一样,一不小心就会将底吹脱落,很容易吹坏。歌的后半阕是说一个淘气的小孩背着爹妈拿了钱去逛琉璃厂、厂甸,买倒掖器玩,结果害得爹为了寻他而汗流夹背,老妈妈急得哭泣。这里迷糊有迷恋与糊涂双关的意思。 时间上大约是噗噗噔儿发明稍后,英国人胡克(R.Hooke,1635~1703年)在1660年发现了一条定律,并且于1676年发表了。这就是现在中学教科书上说的胡克定律,即:在材料的弹性极限内,弹性物体所受的力与变形成正比。如果用p代表外力,d代表变形量,则胡克定律可以表示成p=kd,这里k是与p和d都没有关系的常数。比虎克略早的法国数学家笛卡儿(Descartes,1596~1650年),在他41岁时,即1637年,发表了他的名著《几何学》,也就是后来解析几何的最早起源。书中认为在平面上建立了坐标系,任何一个两个变数的方程可以对应于平面上的一个图形。有了这个方法,胡克就可以将他的外力与变形的关系画在图上,结果是一条直线,所以后来也将胡克所描述的这种外力与变形的关系称作线性关系。 胡克搜罗了他当时所能收集的许多例子加以研讨,结果都符合线性关系。其中有:螺旋弹簧,外力是拉力,变形是伸长;钟表发条,外力是中心轴的力矩,变形是中心轴旋转过的角度;一根悬吊的长长的线,外力是拉力(下端的重物),变形是伸长;木制的一端固定,另一端自由的梁(悬臂梁),外力是自由端所悬重量,变形是自由端铅直位移(挠度)。在所有这些例子中,线性规律都是成立的。据国防科技大学老亮教授考证,在我国东汉经学家郑玄(公元127~200年)在《考工记》注中,通过对弓的试验的注中,就已经有外力与变形成正比的记载。比胡克早了1400多年。 噗噗噔儿虽然发明得比胡克出生还要早,可惜由于当时中西交通的阻隔,胡克小时候肯定没玩过这玩艺儿,否则他在总结他的定律时,恐怕要困惑不解了。如果将噗噗噔儿也看作一个在外部力作用下的变形物体,这里外力是内部空气的压强减去大气压,变形可以用圆形底部中心的位移来量,不妨设底部为平的时,变形为零。这时,外力与变形的关系不再是一根直线,而要复杂得多。 对于噗噗噔儿的外力变形曲线来说,也可以将它画在平面上,令水平坐标表示变形d,铅直坐标表示压力p,图2曲线ABODC即是。设未吹气时,噗噗噔的状态处于A点,这时d是负的,表示底向内凹。随着吹气使内部压力增高,底也逐渐向外移动,当内部力P增加时,于是便使噗噗噔的状态到达B点。我们看到从B点,变形曲线是伸向BO段,但这一段上,压力必须下降,实际上我们还在继续吹它,不可能下降,于是噗噗噔的底部中心便直接跳向C点,然后若增加压力再沿DC段往上去。从B跳到C,噗噗噔的底儿瞬时便从凹形跳到凸形,发出一个清脆的响声。在B点,噗噗噔的状态发生突然变化,所以我们称B点为临界点。 现在当噗噗噔状态处于C点,即底向外凸压力为正,如果减少压力,或轻轻吸气,则噗噗噔的状态又会沿CD段到达D点。这时再减小压力,噗噗噔的底儿便突然在压力不变的条件下,由凸变为凹,即从D返回到A点。 我们看到在曲线ABODC上,BOD这一段也是外力变形曲线上的一小段,但却永远达不到。因为在这一段上,噗噗噔的平衡是不稳定的。 噗噗噔儿发明得很早,可是关于它的变形的理论研究得却很晚。最早研究它的是1939年美国力学家冯卡门(von Karman,1881-1963)和他的中国学生钱学森。他们将这类问题简化为一个球壳在外压作用下的失稳问题。他们的兴趣当然不是为了噗噗噔玩儿,而是对某些飞机结构元件变形规律认识的要求。 然而,噗噗噔儿的底儿在它向内凹或向外凸时,都可以看为一个球壳的一部分。所以卡门-钱的研究工作也可以用来解释噗噗噔儿的变形,它是一类弹性物体变形的代表。后来人们把这类有上下临界(如图2上B,D点)的变形曲线、变形的来回突然跳动称为 弹性突跳 。 弹性突跳现象在工程与生活中有不少应用,现在电子计算机或计算器的按键就是利用弹性突跳元件,使得指头按上去压力达到一定,健接触时不拖泥带水。高压配电的电闸也是如此。有些工作部门还用它作为控制器,使压力高时达到临界值,通过弹性突跳打开阀门泄气,低时达到某临界值通过弹性突跳关闭阀门。 噗噗噔儿也是弹性材料,但是它的外力变形曲线却为什么不是线性的,不服从胡克定律?原因很简单,胡克研究的对象都是相对小的变形。其实即使是噗噗噔儿,如在图上A点附近,它的变形曲线也可以近似看为线性的,用曲线过A点的切线代替即可;变形大了,曲线便拐弯了。所以虎克之后,为了保持胡克定律有较大的适用范围,人们修改了他的提法,加进两条限制:其一是严格限定在变形很小的情形;其二是将外力与变形改为应力与应变。应力与应变是指在变形体上割出一个无限小的单元上来讨论外力与变形关系的。在这两个条件下,大部分弹性体是满足线性关系的,即使我们的噗噗噔儿上的一个无限小元素也是服从线性关系的。 人们将像噗噗噔儿的变形外力曲线称为 非线性 关系。 非线性 关系类型很多,也很复杂。整个自然科学的历史表明,任何学科发展的早期,最先总是将所得到的关系看作线性的,例如在电学中,电场强度与电感强度的线性关系;渗流中渗透压力与渗透流速度的线性关系;在热学中热流量与温度差的关系;在电工中电压与电流强度的关系,等等。早期都是线性的,随着研究的深入,都发现了 非线性 的修正。 不仅如此,早期的社会生产,也近似用线性关系的经济学来讨论。手工生产,如打草鞋,生产量与人数是线性关系。后来进入大生产,一座现代化钢厂,钢产量与工人数便不是线性关系,人数少到一定数量便产不出钢来。 大约在本世纪60年代,整个自然科学与社会科学各领域,大量提出并讨论 非线性 现象与问题,而且这些问题都有一些共同点,在数学描述上其 非线性 关系相同,且发生的现象也有某些可类比性。它比线性情形更复杂、更媚人,描述的现象更丰富,也更具有挑战性。这就是所谓当前我们称之为 非线性 科学。而且人们预期,20世纪人类仅仅是大量提出 非线性 问题。真正要解决,恐怕是下世纪的事。 然而, 非线性 现象不管怎样复杂,也总得从最简单的情形开始研究。噗噗噔儿当是一种最简单的 非线性 现象。如果你想进入 非线性 的研究领域一显身手,不妨请你先对噗噗噔儿思考一下,它会告诉你许多许多。 参考文献 1 老亮,我国古代早就有了关于力和变形成正比关系的记载。力学与实践,1987,9(1) 2 T.von Karman H.S.Tsien, The Buckling of Spherical Shells by External Pressure, J. Aeron.Sci.,Vol.7,43,1939 3 武际可,苏先樾,弹性系统的稳定性,北京,科学出版社,1994 最早刊登于《力学与实践》, 1997年06期,后收入笔者的科普文集《拉家常说力学》中。
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