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清华大学吴国盛教授的演讲（苹果牛顿的故事）

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清华大学吴国盛教授的演讲（苹果牛顿的故事）

吴国盛教授在演讲中。 （图片由“人文清华讲坛”提供）

『“超级大牛”的科学家』

这三个来源其实都来自牛顿本人，也就是说，“苹果神话”确实是牛顿本人说的。这个故事非常著名，几乎家喻户晓。如果你去剑桥大学访问，一定能看到三一学院门口院子的草坪上种着一棵苹果树，据说那是从牛顿家乡移植过来的。在1860年落成的牛津自然博物馆里，牛顿雕像脚下也有一个苹果。可见，“苹果神话”并不是街头小报的八卦，而是学界认可的。

『新物理学第一人笛卡儿』

那么，到底是不是这么回事呢？今天我想花一点时间和大家探讨这个脍炙人口的“苹果神话”。

追溯万有引力定律的起源，就要说到西方天文学的演变。

在古希腊，人们认为宇宙是一个球状的东西，所有的恒星都镶嵌在最外一层天球上转动，每天绕地球转一圈。所以，天球是希腊人理解宇宙的基本要素。

但是，天球论在近代出了问题。1543年，哥白尼出版了《天球运行论》，用日心说替代了地心说，宇宙的中心是太阳而不是地球，地球变成了一个行星，只有月球还在绕地球转动。天球论随之开始走向解体。

新的天文学要求新的物理学出现。托勒密地心天文学是以亚里士多德的物理学为基础的，亚里士多德提供了一套以地心宇宙论为基础的物理学。而在打破了地心天文学之后，就要求用一种新的物理学来解释日心天文学。

新物理学的第一人是笛卡儿。笛卡儿是17世纪上半叶的一位超级天才，他创立了一套新物理学来全方位地取代亚里士多德的旧物理学。

亚里士多德认为，天和地完全不一样。首先是物质组成不一样，天是由纯粹的、透明的、完美的、不变化的以太组成的，地则是土、水、气、火四元素组成的。二者运动方式也不一样，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。

而笛卡儿认为，宇宙仅仅由物质和运动构成，不分天上地下，由此对应哥白尼革命带来的天地界限被打破的现象。这个新物理学的原理对于牛顿的“苹果神话”非常重要，因为牛顿的“苹果神话”意味着苹果和月球并没有本质的区别。这个思想不是牛顿的首创，笛卡儿已经提出来了。

笛卡儿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，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。而笛卡儿认为，运动不需要外力维持，运动自我维持，而且动量守恒，这被称为惯性原理，今天我们称之为牛顿第一定律。其实牛顿第一定律的首创者不是牛顿，而是笛卡儿。

此外，笛卡儿还提出了涡旋宇宙体系。亚里士多德的宇宙是天球宇宙，大球套小球。而笛卡儿用涡旋宇宙模型来替代天球宇宙模型，他认为，所有的行星绕太阳转动，这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。

为什么笛卡儿的这个理论没能引起重视呢？那是因为后来的牛顿彻底清除了涡旋宇宙，而用万有引力宇宙取而代之。这就相当于新物理学的版本升级：如果说笛卡儿的物理学是新物理学1.0版，那么牛顿的新物理学就是2.0版。今天，笛卡儿的哲学书仍是大学生的必读书，但物理教科书上已经没有了笛卡儿的名字。

『万有引力定律一波三折』

回到万有引力定律，它是不是牛顿在瘟疫期间坐在苹果树下被一个苹果砸中脑袋之后想出来的呢？

牛顿进入剑桥三一学院读本科期间，发现学校里没有什么可学的，基本就以自学为主。他广泛地学习天文学、数学、哲学等学科，高效吸收了当时优秀的科学成果，很快成为学科前沿的开创者。

牛顿深受笛卡儿的影响，他有一句名言：“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”指的就是笛卡儿。受笛卡儿的影响，那时候牛顿也相信涡旋理论，但是他还在进一步思考重力问题。有证据表明，在1665年—1669年，牛顿进行了一些有关重力问题的计算，但结果并不令人满意，于是引力问题就被搁置了。

重新开始思考这个问题是在1679年。当时，英国著名的物理学家胡克写信和他交流，这引发了牛顿的进一步思考。牛顿在剑桥大学生活了30多年，其实他最感兴趣的并不是万有引力，也不是微积分，他最热衷的是炼金术实验。在那段时间里，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。

真正出现转机是在1684年。这一年的8月，后来发现哈雷彗星的哈雷专程去拜访牛顿。他和胡克等人觉得，要满足开普勒定律的行星运动，必须要让行星受一个平方反比力的作用，但是他们没法证明。结果，牛顿花了3个月时间写了一份证明过程寄给他。这是万有引力定律的第一个关键证明。

哈雷收到这封信后非常激动，他鼓励牛顿继续研究。于是，牛顿连最喜欢的炼金术也不玩了，专心致志开始写作《自然哲学的数学原理》。在这部书里，牛顿以一种前无古人后无来者的超级天才的洞察力，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。

《自然哲学的数学原理》一共分三卷。第一卷提出了牛顿三定律和万有引力定律。第二卷中，牛顿证明了笛卡儿式的涡旋理论不能成立。在第三卷中，牛顿非常自豪地说：现在就让我们来构造宇宙体系吧。这口气就像上帝一样。

在这部著作中，牛顿完成了万有引力需要的第二个关键证明———利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很近，过去不知道怎么算那个距离，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，是因为所有的质量都集中在球心，如果没有微积分就没法证明这一点，也就没有办法知道地球怎么吸引物体。

牛顿真正发现万有引力定律，正是在1684年—1686年这两年间，而不是在发生瘟疫的那两年。

牛顿的《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终于彻底完成了。因此，可以说，牛顿是科学革命的完成者。今天，现代科学在很大程度上还是牛顿科学，所有的其他学科都向牛顿物理学看齐，牛顿物理学成了近代科学的一个典范。牛顿不仅仅做出了许多了不起的科学成就，而且建立起了科学的标准，这是他最牛的地方。

『为什么是牛顿发现了它』

17世纪是一个天才辈出的世纪，但为什么是牛顿发现了万有引力定律？

第一，这是一个伟大的时代。牛顿是站在巨人的肩膀上前行的，从哥白尼、开普勒、伽利略、波义耳到笛卡儿，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。牛顿可以算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。物理学家胡克虽然也有很强的科学直觉，但是因为数学能力不够强，他最多只发现行星受一个平方反比力的作用，却无法推导出一套体系来。牛顿不仅数学厉害，实验能力也极强。他早年初出茅庐时被得到认可，就是因为做光学试验。今天，我们虽然发现牛顿的光学理论有很多错误，但是他对白光是复合光的实验发现仍然是正确的，他的实验方法在今天看来也仍然是非常绝妙的。

尽管牛顿是万有引力定律的提出者，但是牛顿本人却不相信引力是世界的本质，他不认为引力是事物固有的能力。今天我们知道，引力是属于物体的，任何两个物体都会产生万有引力，可是牛顿给当时的三一学院院长本特利写信时这样写道：“希望您不要把重力是固有的这种看法归之于我。”牛顿的意思是，万有引力仍然只是表象，仍然只是对现象的总结。而且，牛顿当时也不相信单凭引力就可以维持太阳系的稳定，他认为上帝之手不能缺少。所以，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。机械的部分可以用原理解释，微妙的部分则需要用炼金术来解释，但是无论是机械的还是微妙的，归根到底应该由上帝来解释。这大概就是牛顿为什么一辈子的主要时间都在玩炼金术、研究圣经年代学的原因。

『“我想是牛顿在驾驶”』

回到一开始的问题，牛顿为什么要制造“苹果神话”？很多研究表明，其中至少有三个原因。

第一，牛顿一辈子都在和别人打科学官司。比如，在光学问题、万有引力定律问题上和胡克有争议，在微积分的发明问题上和莱布尼茨争得你死我活，在月球的数据问题上和当时的皇家天文学家争议不断。所以他到了晚年之后，可能想以这种方式一劳永逸地结束各种争论。

第二，这和牛顿自己的个性有关。牛顿在人格上是有一定缺陷的，他明显是一个自恋、自大，喜欢自我美化的人。牛顿生于圣诞节那一天，他觉得自己天生有着特殊的使命，他对自己非常自信。到了晚年，他这种自恋的倾向更加明显。在他最后的几年时间里，他经常请人给自己画像，自我美化。制造“苹果神话”和这种自我美化的倾向是一致的。

第三，他可能希望通过“苹果神话”来掩盖引发万有引力定律思考的炼金术活动。因为炼金术在当时属于半地下的状态，不能公开。

在1936年以前，牛顿的形象都是高大上的。但是，1936年，著名的经济学家凯恩斯从牛顿的后人手上买到了他的手稿，主要是他的炼金术的手稿。凯恩斯研究后大吃一惊，他发现牛顿原来完全不是我们心目中那样的伟人。凯恩斯在1942年左右写了一篇文章，本来是想参加纪念牛顿300周年诞辰的活动，但1942年正好是二战时期，所以这个活动被推迟到了1946年举行。1946年春天，凯恩斯去世了，他的弟弟替他发表了这篇文章。在这篇文章里，凯恩斯揭露说，牛顿根本不是理性时代的大师，而完全是最后的“魔法师”，他小心翼翼地掩盖着他的炼金术活动。

当然，尽管牛顿有这样那样的缺陷，这并不妨碍他成为人类历史上最伟大的科学家之一。今天，我们每个人都生活在牛顿为我们开辟的现代物理世界之中。

最后，我想和大家分享一个小故事。1968年，美国阿波罗8号飞船从月球返航途中，地面指挥系统问：现在是谁在驾驶飞船？飞船上的指令长博尔曼俏皮地回答说：“我想是牛顿在驾驶。”

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