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03
牛顿
无所不包的宇宙“统一概念”

艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1643—1727)

2005年,正值人们纪念爱因斯坦“奇迹年”(1905年)100周年之际,英国皇家学会进行了一次名为“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查,牛顿被认为比爱因斯坦更具影响力。

虽然在各类世界科学家排行榜或评选中,牛顿与爱因斯坦总是轮流排名第一,但从1942年爱因斯坦为纪念牛顿诞辰300周年而写的《艾萨克·牛顿》中可以看出,爱因斯坦是自愧不如的——他在文章的最后写道:“至今还没有可能用一个同样无所不包的统一概念,来代替牛顿的关于宇宙的统一概念。”还有一点,爱因斯坦也无法与之相比拟——牛顿从研究物理问题出发创立了微积分,他与阿基米德、高斯、欧拉一般被公认为有史以来贡献最大的四位数学家。

事实似乎也是如此,是牛顿第一个成功地找到了一种用方程式清晰表述的科学思想体系,并从这个体系出发,用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围广阔的科学图景,同时还能与经验相符。后来的物理学家(包括爱因斯坦),在很大程度上都是沿着牛顿所开创的概念体系前行。可以说,假如没有牛顿所描绘的科学思想图景,人类后续所取得的科学进步可能就难以实现。

特斯拉曾说过:“有形的事物终归会湮灭,只有思想才是人类文明进步的真正动力……”牛顿的伟大在于他打破了某些知识不是人类思想所能涉足的观念,这一观念之前已烙印于人类文化中达数世纪之久,而牛顿竟以自己的概念思想巧妙地将其打破。牛顿从根本上改变了人类的思维方式,他建立了今天我们称为“牛顿宇宙 ”的理论框架。他是有史以来人类最伟大的物理学家、数学家、科学思想家,以及科学领域顶尖的天才人物之一,著有《自然哲学的数学原理》《光学》等影响世界数百年的科学著作。他还提出了由万有引力定律(见题图中的方程)和三大运动定律构成的经典力学体系 [1] ,而万有引力定律对人类具有划时代的意义。

牛顿创立的一套思想体系既能科学地解释宇宙天象变化,又可说明地上物体运动的规律,而且还继续被用于航天和各种工程的计算中。如果有人要问,为什么做到这一切的是牛顿,那会有很多不同的回答。在介绍1931年出版的牛顿的《光学》一书时,爱因斯坦提供了这样的回答:“自然于他就是一本打开的书……他集实验家、理论家、技工以及处于爆发期的艺术家于一身。他坚定、强壮、孤独地站在我们面前。”如此全面而罕见的一位人物,不是他,又能是谁?

牛顿关于苹果的传说可谓家喻户晓。不管实情究竟如何,他把苹果和月亮联想在一起,找出其中的天地关系和数学表达,这是最关键的——这种联想和演绎只有真正精于“研究艺术”的人才能做到。最终是他发现了天上和地下的“力”原本是一回事(万有引力)——这是人类第一次真正完成的关于自然力的统一认识。而牛顿描绘的广阔科学思想图景甚至比其具体的科学理论更加宏大——它们是哲学意义上的科学诗篇,是数学主题下的自然交响乐,是探寻世界体系的艺术研究方法。近3个世纪过去了,我们永记的是他给世界带来革命性变化的科学思想。

创作感言

我绘制的题图反映的是传说中的一个怡人秋夜,在英国伍尔斯索普村,一个苹果落地激发了牛顿灵感而凸显伟大发现的图景——其中苹果在空气中“嗖嗖”坠落的痕迹变成了竖式的万有引力定律之数学表达式。此时,牛顿坐在果树下,头顶弯月而沉思:所有的东西一旦失去支撑必将坠落,那月亮为何不会呢?刹那间,牛顿似乎看见了答案——月亮确实会下坠,然而由于它的“切向速度”非常大,大到足以让它一边逃离而一边又向地心下坠,结果恰好保持与地球一定的距离而绕其轨道运行。如果上述推论成立,那么,地球和其他行星绕着太阳的旋转便是自然之事了——这就是他向人们描绘的经典力学的科学思想图景。


[1] 经典力学体系由万有引力定律( F = Gm 1 m 2 / r 2 )与三大运动定律[惯性定律、加速度定律( F = ma )、作用力与反作用力定律( F = -F′ )]构成,统一解释了当时天上和地下一切可感知的力学现象。 fZa6TijrGi/kJ5HtI2FZJBNoAgaIH9p+5oy+7AyKYI8Cys+x41krtJhK8guD7zk6

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