十、上帝下班了——牛顿

之前我们说到开普勒提出的三大定律，揭示了行星运动的轨道是椭圆。

但如果你问开普勒：为什么行星运行的轨道是椭圆？

当时的大佬都搞不明白，如果有人能解决这个问题，那他一定能名垂青史。

所以，明面上大家都在追求真理，背地里其实都在暗暗较劲。

最后，一位猛男脱颖而出，终结了这场战斗。

此人热衷于各种争斗，而且百战百胜，总是把对手按在地上摩擦。

他就是大名鼎鼎的——

牛顿

牛顿不是一日炼成的。他为什么这么牛？他又是如何解决椭圆轨道问题的呢？

1. 万事俱备，只欠牛顿

想要了解牛顿，就得回到他的时代。如果非要用一个词来形容那段时期，那一定是：

当时的西欧是基督教的世界，绝大多数人都是基督徒，比如哥白尼、伽利略、开普勒、笛卡儿、牛顿、费马、玻意耳等。

虽然都是基督教，但其中分了很多派系。比如天主教和新教，还有些异端的教派，比如阿里乌派。新教中也还有不同的派系。

文艺复兴后，西欧再度拿到古希腊真题集，一下子都成了文化人。

可当时的江湖上还没有正儿八经的科学家，像开普勒、第谷，主业都是占星。

除了神学、占星学，还有炼金术，比如罗杰·培根、玻意耳、第谷等人都热衷炼金术。

还有一波势力，被称为魔法派，比如我们熟知的布鲁诺。

魔法派内的学说中，最流行的是赫尔墨斯主义，是主张将哲学和魔法相互结合的学派，深刻地影响了那个时代。

虽然江湖混乱，但当时的学者们大都各有侧重。

特别是从开普勒和伽利略开始，天文学的发展方向转为研究天体为什么会动。

这也被称为动力学问题，仅仅在这个细分领域就有三尊大神：

伽利略

·详细讨论了自由落体、钟摆等运动问题；

·提出了自由落体定律，速度叠加定律；

·提出了惯性的概念；……

笛卡儿

·提出机械世界观，认为宇宙和地上的运动规律应该是相同的；

·提出物理学中的“功”和“力”的概念；

·提出圆周运动的物体总有离开圆形向外运动的“倾向”；

·提出物体之间的无作用力只能通过接触或者碰撞来传递；……

惠更斯

·解决诸多运动学中的实际问题；

·提出圆周运动公式；

·提出动能和势能的概念；……

还有梅森、玻意耳等。由于篇幅的关系，我们就不在这里赘述了。

总结一下那个时代的特点，就是：

群英荟萃，百家争鸣，百花齐放!

如果不搞点创新，都不好意思说自己是读书人。

但这些知识哪些对、哪些错，彼此之间有没有什么联系，没人搞得清楚。

因此时代需要一个人，一个全能的人。

他得能掌握不断涌现出来的新知识，还要对古希腊真题了如指掌，最后，还要能把这些知识融会贯通，聚合成一个体系。

因此我们说：万事俱备，只欠——

牛顿!

没错，牛顿就是一位全能战士，堪称知识界的百科全书。

1. 性格怪异的开挂大神

1643年的圣诞节，在英国的一个小乡村里，一个孩子呱呱坠地。而在他出生之前，他的父亲就去世了。这个孩子就是牛顿。

牛顿刚出生时很瘦小，一脸病态，据说小到可以装进一个大杯子中，很多人都认为他会夭折。

一开始，牛顿和母亲相依为命；到了三岁，母亲改嫁，把他丢给外公和外婆抚养。

这对牛顿幼小的心灵造成了极大创伤，从而也造成了他诡异的性格—— 偏执、孤僻、好胜心极强、极度爱惜羽毛。

牛顿是虔诚的基督教徒，但他信奉的不是主流的天主教，而是阿里乌教，这个教派也被视为异端。

这个教派认为，基督教的经典被篡改了，他们要恢复被篡改的经典的原貌。

因为牛顿和耶稣同一天生日，所以牛顿一直坚信自己是被上帝选中的少数人之一，他有职责和义务把被篡改的基督教经典恢复如初。

温馨辟谣：

很多人都说牛顿晚年才开始研究神学，这是不对的，牛顿一生都在研究神学，只是他信仰的教派被称为异端，因此一直都不敢如实说出来罢了。这是后人在牛顿留下的笔记中发现的。

那么，如此宏大的人生目标要如何实现呢？

牛顿想到的是通过炼金术、科学等研究手段来发现上帝预设的宇宙规律，以此来完成使命。

很多人以为牛顿是个科学家，实际上在他心目中自己是一个神学家、炼金术师及自然哲学家。

牛顿毕生留下了百万字的炼金术手稿和神学手稿，而且他还有很多兼职，当过造币厂厂长、国会议员、英国皇家学会会长，他还是第一个提出金本位制的人。

在上大学之前，牛顿一直是个超级学霸，进入剑桥大学后，路子开始跑偏，成了另类学霸。

因为牛顿发现，当时的教材都太老了，不够味儿，于是他决定自己玩，转而阅读大量涌现出来的新的研究成果的文献，其中就包括哥白尼、伽利略、笛卡儿等人的著作，这使得他功力大增。

后来英国伦敦发生瘟疫，为了躲避瘟疫，牛顿回到了乡下老家。

居家隔离自古有之，大多数人在家做咸鱼，你以为牛顿也会这样吗？

实际上，牛顿在家疯狂开挂。

他先是搞定了广义二项式定理，接着又发明了微积分，不过他管这个叫流数。

同时还给万有引力定律以及光学的研究开了个头。

这段时间主要是1665—1666年。在科学史上有两个奇迹年：一个是1666年的牛顿奇迹年，一个是1905年的爱因斯坦奇迹年。

一直有个传说，牛顿是因为在隔离期间脑袋被一个苹果开了光，才有了万有引力定律。

最早记述这件事的是伏尔泰，但他也是道听途说，作为牛顿的铁杆粉丝，他或多或少有些神化了自己的偶像。

牛顿是一个被神化了的学者，这个造神运动早在牛顿在世的时候就开始了，如今我们要了解他，就要客观冷静地看待，不要偏听偏信。

1. 万有引力定律

疫情结束后，牛顿回到学校完成学业，并且接了自己老师巴罗的班，成了卢卡斯数学教授。

这个职位来头不小，在历史上能坐到这个位置的人，清一色是学术大佬，当然牛顿是其中最大的大佬。

照理说，牛顿这么大咖位，应该会有一堆学生搬着小板凳来听课才对，恰恰相反，牛顿相当不受欢迎，课上基本没什么人。

虽然教学生涯一败涂地，但他的学术生涯却开始初露锋芒。

他发明了反射式望远镜，提出了系统的光学理论，成了当时顶级的大学者，还被英国女王接见。

也就是在这个时期，牛顿遇到了自己一生的宿敌——胡克。

苹果达人牛顿VS弹簧超人胡克

胡克，是不是看起来很眼熟？

这个胡克就是提出著名弹性定律的那位科学家，而我们课文里那个发明显微镜的科学家叫列文虎克，他们不是一个人。

曾经有这样一道高考模拟题：

胡克算起来是牛顿的前辈，是当时学术界的大拿。

不过这个人很蛮横，还有一个特点：

牛顿作为小鲜肉，也是个暴脾气，两人相互看不惯，一言不合就吵起来。有一次牛顿写信讽刺胡克，说：

这句话看似谦虚，好像还夸了胡克，但考虑到胡克驼背严重，又身材矮小，大家可以自己细品一下其中深意……

所以这句话其实是反话，让胡克反驳不是，不反驳也不是，堪称骂人不带脏字的经典案例。

牛顿和胡克在很多问题上都互相抬过杠，比如他们争论过：光到底是什么？

如今我们知道光同时具有波动性和粒子性，也就是说其实两人说得都对。科学家围绕着光的本质争吵了三百年，最后吵出了量子力学。

两人几乎终身都恪守着同一准则，凡是对方反对的，自己都赞同。

除了光，他们争吵最多的问题，就是——

万有引力定律。

万有引力定律说的是：万物之间都有彼此相互吸引的力。

这个力与物体之间的距离的平方成反比，与物体的质量成正比。

别看这个公式用起来容易，证明它可费了老大劲了。

其实，这个平方反比的规律在很早前就已经被发现了……

传说有一天胡克和哈雷等人在咖啡店唠嗑，谈话间就提到了这个平方反比的定律。

但是没有人具备证明万有引力定律的实力，胡克称自己做得到，却一直拿不出可靠的数学证明。

于是哈雷想到了牛顿，他来到牛顿家里，向他请教这个胡克都没能解决的问题。

后来牛顿写了篇只有九页的论文，叫《论星体的轨道运动》，用微积分详细论证了在平方反比的万有引力下，行星的运行轨道为椭圆形。

他把这篇论文寄给哈雷。

后来，在哈雷的资助下，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，我们亲切地把这本书称为《原理》。

胡克看到牛顿出书，有些眼红，而且他觉得牛顿能证明出来，也有他自己的一份功劳。

但是第一版《原理》中记录自己功劳的地方太少，于是就跑去跟牛顿谈判。

胡克希望牛顿能如实把自己的功劳记录在书中，结果牛顿很生气，反而在《原理》第二版中几乎把和胡克相关的内容删得一干二净。

客观地说，胡克对于万有引力定律是做出过一些贡献的，他曾和牛顿通过几次信，交流过对万有引力的一些想法，牛顿因此受到了不少启发。

后来胡克因病去世，牛顿则成了英国皇家学会的掌门人，他解散了胡克的实验室，还销毁了大量胡克的手稿和画像，以至于后人都不知道胡克的样子。

牛顿证明万有引力定律的过程，这里就不详细说了，比起枯燥的数学证明，对于普通人而言，更珍贵的是他思考出万有引力定律的过程。

在《原理》中，牛顿就介绍过自己是如何思考万有引力的，我们这里举两个例子。

思想实验一

牛顿通过数学计算，发现在引力作用下，月球每秒下落0.05英尺，而苹果每秒下落16英尺。(1英尺约等于0.3米。)

牛顿当时已经知道，初速度为0的两个物体，在同一时间内下落的高度和它们所受到的力成正比。

因此就有了这样一个比值：

而月球到地球的平均距离大概是380000千米，苹果到地心的距离大约是6371千米。

这两者的比值为：

对照前后两个比值，得出

于是，牛顿就猜测万有引力与距离的平方成反比。

思想实验二

除了这个粗略的估算之外，他还提出了一个叫作“牛顿大炮”的概念。

如果有个理想的大炮向正前方打出炮弹，那炮弹运动的轨迹应该是抛物线。

这说明炮弹打出去后会下落，而地球是个球体，地面是向下弯曲的。

牛顿就开始琢磨：

如果地面向下弯曲的程度正好和炮弹下落的程度一样呢？

那炮弹不就沿着地面飞行了吗？

牛顿不仅想象力丰富，还十分严谨。为了证明万有引力定律是对的，他需要准确的观测数据。

这时候，他盯上了第一任格林尼治天文台台长：

弗拉姆斯蒂德

这位天文学家手里拥有极准确的天文观测数据，但他和胡克一样，是牛顿的死对头。

弗拉姆斯蒂德的数据来自几十年如一日的观测，早期天文台设备简陋，几乎都是他自掏腰包进行观测，这些数据就是他的心血，所以他并不想给牛顿。

后来牛顿利用不那么正当的手段成功拿到了数据，并在《原理》当中引用了这些数据。

不仅如此，他还把弗拉姆斯蒂德的名字也从第二版《原理》中删去了。

除了胡克和弗拉姆斯蒂德，和牛顿不对付的还有数学家莱布尼茨。此人也是个全才，和牛顿不相上下。他和牛顿因为微积分发明权吵得不可开交。

按照目前考证的结果，牛顿要早于莱布尼茨发明微积分，但莱布尼茨发表得更早，因此一般认为两人是分别独立发明了微积分。

这场旷日持久的骂战，使得英国学术圈和欧洲大陆从此交恶。

牛顿的时代，英国是世界学术的中心；牛顿死后，两地一百多年没有交流，世界学术中心也慢慢转移到了法国。

1. 牛顿革命

之前，我们聊过著名的哥白尼革命，参与这场革命的有哥白尼、伽利略、第谷、开普勒。牛顿不仅参加了革命，他还革了革命的命。

牛顿发起的著名科学革命，史称——

牛顿革命

如果说哥白尼革命的本质是把宇宙的中心从地球转移到了太阳。那么什么是牛顿革命呢？

用一句话概括，就是——

请上帝离开。

在牛顿之前，统治西方世界的主要是地心说和亚里士多德世界观，在这套体系中，需要上帝驱动，世界才可以运转。

即使到了哥白尼、伽利略和开普勒的时代，他们的理论依旧需要上帝存在。

注意，我们这里指的是牛顿理论所代表的世界观，不是牛顿本人的世界观。牛顿只是起点，后来的许多学者深化了他的理论。

实际上牛顿本人认为上帝是存在的，他还试图证明上帝存在，只不过没有实现罢了。

牛顿把他之前的理论进行了一次大筛选和大串联，然后提出了著名的牛顿三大定律和万有引力定律，实现了宇宙和地球上物理学规律的统一，形成了一套新的世界观。

同时，牛顿的这套新的世界观当中，不需要上帝存在，宇宙就像一台巨大的机器，可以自行运转。

因此牛顿的墓志铭是这样写的：

牛顿去世后被葬于伦敦威斯敏斯特教堂，在牛顿以前，这里只安葬一些王公贵族，牛顿是第一位安葬在这里的学者。

也就是从这时候起，科学开始摆脱神学、哲学、炼金术、占星术和魔法的束缚，成为一套自成体系的学科，开始蓬勃发展。

那么，接下来会诞生哪些有趣的科学理论呢？

科学又将何去何从？