2020年06月19日 星期五
牛顿:数学原理不是雕虫小技
□ 老 多
牛顿画的望远镜草图。(图片来源于《牛顿传记五种》,商务印书馆2007年12月出版)

    上次我们探讨了玩出现代科学第一个硬核知识——日心说的哥白尼。今天我们探讨另一位玩硬核知识的——牛顿。

    牛顿是怎么一位玩硬核知识的科学家呢?被苹果砸出万有引力定律的故事几乎无人不晓,牛顿的伟大功绩还不止于此,他还发明了微积分、二项式定理;用三棱镜发现了俗称七色光的光学现象;发明了牛顿望远镜。他有两部科学史上不朽的著作《自然哲学的数学原理》和《光学——关于光和颜色的专论》。此外他还是上帝最忠实的信徒,喜欢玩炼金术,当过皇家造币厂厂长,还和科学家胡克、莱布尼茨吵过架。1705年被授予勋爵,他忙了一辈子忘了结婚,85岁去世,英国王室为他举行国葬,葬于西敏寺大教堂。

    这么牛的牛顿是啥时代的人呢?他1643年出生,这一年正好是《天体运行论》发表,现代科学开创100年。现代科学刚出生100年,中国刚从明朝走进清朝,牛顿就创造了这么多硬核的知识,难道牛顿吃了什么灵丹妙药?任何科学创造都是有原因的,了解科学家最好的办法就是回到他生活的时代,从他的成长经历中去寻找科学家的密码。

    牛顿是个早产儿,小牛顿刚出生的时候据说可以放进一个大杯子里。不过这个小不点好奇心极强,而且不爱在外面和其他小朋友疯玩,而是喜欢在家里摆弄各种小玩意儿。据说他自己造过水钟和用老鼠做动力的磨的模型。当然长大以后他也和其他小朋友一样上学去了。

    法国作家丰特奈尔在牛顿传记《伊萨克·牛顿爵士颂词》中描述了牛顿一生的经历:“在学习数学时他没有学习欧几里得……他马上向笛卡尔的几何学、开普勒的光学等书进军……24岁之前,他已经在几何学上做出了重大发现,并奠定了他的两本著名的书《原理》和《光学》的基础。”下面咱们看看,从这两本书里是不是可以找到牛顿的密码。

    第一部《自然哲学的数学原理》。这部书大家都认为是开创放之四海而皆准的万有引力定律的。牛顿自己怎么说呢?他在书的序言里说:“古代人从两方面考察力学,其一是理性的,讲究精确计算,再就是实用的。实用力学包括一切手工技艺,力学也由此而得名。但由于匠人们的工作不十分精确,于是力学便这样从几何学中分离出来,那些相当精确的即称为几何学,而不那么精确的即称为力学。”牛顿说的是他写《原理》以前的情况,从牛顿的《原理》开始几何学和力学再次结合,匠人携手数学,变成了硬核知识。

    再来看《光学》。《光学》的副标题是“关于光和颜色的专论”,其实就是讨论他用三棱镜发现光的色散。研究光学的问题就要回到他小时候造水钟和老鼠拉磨的实验,回到好奇之中。对此丰特奈尔这样写道:“精确地做实验不是雕虫小技,呈现给我们思考的事实的每一成分与如此多的其他成分混在一起……没有非凡的敏锐,很难猜到进入混合物中的不同要素。”

    如今300多年过去了,牛顿的万有引力定律现在还是放之四海而皆准的伟大真理吗?对不起不是了。如爱因斯坦所说:“够了,够了。请原谅我吧,牛顿。我们会永远记住您所发现的道路。而您那个时代,您确实是一位具有最高思维能力和创造力的人,您所创造的概念,不管什么时候仍然对我们研究物理学起着很重要的指导作用。然而现在,我们必须用另外一些与直接经验相去甚远的概念取代您的这些概念,因为不这样,物理学就没法继续进步。”

    那牛顿直到现在对我们仍然起着很重要的指导作用的硬核知识是什么呢?就是牛顿的《原理》带给我们的,把精确的数学和匠人们不精确的力学结合起来的物理学,以及《光学》带给我们的,不是雕虫小技的,而是精确的科学实验。

    那么,忙了一辈子,忘了结婚的牛顿,他留给我们的密码是什么呢?是科学精神也!

    (作者李建荣,笔名老多,科普作家,文津图书奖、中国科普作家协会优秀科普作品奖获奖作品《贪玩的人类》系列作者)

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