伽利略和笛卡兒對物體運動的解釋,已經使後來者的腳步變得輕盈許多,但如果沒有牛頓,我們可能還要在無知的迷霧中躑躅更久。JAMAICA1643年1月4日,在英格蘭林肯郡小鎮沃爾索普的一個自耕農家庭裡,牛頓誕生了。
他是一個早產兒,出生時只有三磅重,接生婆和他的親人都擔心他能否活下來。因為小傢伙太柔弱了,連頭都立不起來,整個人剛好可以放進一個小罐子裡。誰也沒有料到這個微弱的小生命,會成為一位震古爍今的科學巨人,並且安全地活到了85歲的高齡。
1661年,19歲的牛城以減費生的身份來到了劍橋大學的三一學院,他以優異的成績取得了獎學金,並開始了自己的科學研究生涯。他的一生,都在研究物體運動的力學問題,這和他生活的時代背景有密切的關係。
在那個時代上帝在歐洲乃至整個西方人的心目中的地位是至高無上的,上帝不僅是造物主,也是宇宙萬物和人類行為的唯一目的。世界以及人類存在的目的是由上帝來說明的,人類不需要去解釋那些讓人覺得納悶的東西,所以人類的理性並沒有真正的發展起來。
然而,哥白尼、伽利略、笛卡兒等一代代的科學家們,對真理的渴望與追求,間接地在破除上帝的迷信,雖然也有人為此付出生命的代價,可最終真理的力量戰勝了偏見。
牛頓的時代就是一個大發展時代,他的前輩們已經做了充分的奠基TI DOMINICAPo-u工作,他甚至只需要把前輩們的那些直白的、經驗式的話語,用更精煉、抽象的語言說出來,就能完成科學的一大發現。
牛頓自認為自己的成功是因為他站在巨人的肩膀上,關於慣性定律就是一個很好的例子,牛頓就是站在伽利略、笛卡兒等前輩巨人肩膀上,最後窺得了上帝的秘密。
1687年,牛頓出版了他的名著《自然哲學的數學原理》。在書中,他將伽利略和笛卡兒提出的有關物體運動的原理結合起來,表述成現在的慣性定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,直到有外力迫使它改變這種狀態為止,此即牛頓第一定律。牛頓把慣性定律列為他構建的經典力學的三條基本運動定律之首。
牛頓的力學使我們相信,世界是一個由各部分精密組成的機器,天國和塵世之間的界限也消失了,這樣的世界,人變得越來越強大相反,神的作用變得越來越小。
上帝在牛頓力學中的作用削弱了,雖然上帝還是造物主,也還是宇宙的第一推動力,但是這個上帝並非一直不停地在干預世界,也不是時時刻刻地在監視著人們,而是起著隱蔽的無形監護人的作用。人類從此可以用理性來看待世界,也可以預測某些自然現象了。
牛頓所開創的全新宇宙體系,是那樣的明澈和有條理,使守舊分子毫無抵抗的勇氣和能力,人類真正進入了理性的時代。因為正是從牛頓開始,人類獲得了用自己的理性解決面臨的瑣碎問題的勇氣和自信,他把哥白尼發起的近代科學革命推向了頂峰。
英國著名詩人蒲柏對牛頓的成就讚歎不已,他的詩中寫道:
大自然和她的規律,
隱藏在黑暗之中,
上帝說:“讓牛頓出世!”
於是一切變燦然光明。
我們似乎很有必要弄清楚,“慣性”到底是怎麼一回事。根據伽利略、笛卡兒和牛頓的歸納可以看出,慣性是一切物體具有的保持原來的勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質。運動物體和靜止物體都有慣性,它與物體的運動狀態無關,與該物體是否受力作用也無關。因為外力只能改變物體的運動狀態,而不能改變物體的慣性。所以,慣性是一種很抽象的物體狀態。
我們說一個物體慣性大不大,要看它保持原來運動狀態的能力強不強。比如說有胖瘦兩個人在車上碰到急剎車,瘦的那個人肯定比胖的這個人容易向前傾倒,因為他的質量(即體重)較小。而胖的人因為質量較大,比起瘦的人來說,他更容易保持原來的靜止狀態,所以我們就說這個胖的人慣性大。
從這個例子,我們看出,慣性並不是一種力,而是一種抽象的狀態的保持。亞里士多德的錯誤就在於,他把物體運動的慣性,看作是一種力,以為那是由於外力改變了物體運動的狀態。後來的伽利略和笛卡兒,正是發現了亞里士多德的這個錯誤,總結出慣性定律的。
牛頓的慣性定律,總結了前兩位巨人的成就,他的《自然哲學的數學原理》引起了驚人的轟動。
他在他的運動三大定律和萬有引力定律的基礎上,把天上的和地上物體的運動全部統一起來,完成了物理學上第一次大綜合。
《自然哲學的數學原理》發揮了科學理論的預言作用,引導人們從已知的現象去預測未來,最著名的兩個例子,就是預測到哈雷售星的週期迴歸,以及發現冥王星。牛頓根據天文資料,應用萬有引力定律,說明和計算了彗星的運動軌道。他的好朋友,英國天文學家哈雷,根據牛頓理論進一步計算了大量彗星的運動軌道,得出1531年、1607年、1682年出現的彗星軌道相同,因此應是同一彗星。由此預言,1758年還將出現這一彗星。1758年,這成了當時一件眾人十分矚目的大事。彗星到期未出現,科學家著急得很。1759年3月12日,這顆星出現了。遲到的原因,是因為它受木星和土星的吸引而姍姍來遲了,這正說明了萬有引力定律的成功。
1781年,赫舍爾發現天王星,踞太陽約28億公里,繞一週要84年。但根據牛頓理論,其運動有偏差,於是預言,還應該存在另一顆星。列威爾、亞當斯根據牛頓的理論計算出了該星的軌道。
柏林天文家伽列於1846年9月23日,在列威爾推算處相距不到1°的地方發現了這顆星——海王星,大大拓寬了天文科學家的視野。牛頓在書中寫道:“自然界喜歡簡單化,而不愛用什麼多餘的原因以誇耀自己。”所以他努力尋找支配自然界的儘可能簡單的原理,總結其規律。大自然追求的是一本用數學語言所寫的鉅著,他追求的是一個精確的,完完全全用數學表示的定律。
總之《自然哲學數學原理》第一次顯示了科學理論所具有的知識飛躍和能動作用,它為後來的物理研究開拓了一條傳統思路,奠定了經典力學的基礎,促進了物理學向前發展。
200年以後,另一位偉大的科學家,將牛頓總結的慣性定律,做了一些細微的修改。他把牛頓使用的概念“力”捨去,因為“力”是含糊不清的,不能說明到底是什麼力使物體產生慣性,所以乾脆不用。
這個人就是敢於突破的愛因斯坦。他把修改後的慣性定律表述為:“一物體在離其他物體都足夠遠時,一直保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。”這樣的表述,具有更普遍的意義,它的有效性超出了經典力學的範疇,物理學又得到了一次驚人的飛躍。
1727年,牛頓遺言:“我不知道世人對我是怎樣的看法,但是在我看來,我不過像一個在海邊玩耍的孩子,為時而發現一塊美麗的石子而高興,但那浩瀚的真理的海洋,卻還在我的面前未曾發現呢。”