牛頓是科學界神一樣的存在，他在數學上發明了微積分、二項式定理，在力學上提出了牛頓三定律，在天文學上建立了萬有引力定律，在光學上發現了白光是複合光，並且發明了反射式望遠鏡……這些成就，一個人一生只要做出其中一項就足以名垂千古，而牛頓做出了所有這些成就。

愛因斯坦評價說在牛頓以前和以後，“都還沒有人能像他那樣決定着西方的思想、研究和實踐的方向。”而普通人對於牛頓的瞭解則大都來源於那個“蘋果落地”的科學軼事。雖然“蘋果神話”存在，但是，萬有引力定律絕對不是牛頓坐在蘋果樹下被蘋果砸中腦袋之後，即興想出來的，著名科學史家、清華大學科學史系主任吳國盛教授日前登壇講授《瘟疫之年：重新認識牛頓》，他表示，偉大的思想從來都有歷史背景，而萬有引力定律的形成，卡笛爾功不可沒：“可以說牛頓就是笛卡爾直接的繼承者。牛頓有一句名言‘如果我看得比別人更遠一點，那是因爲我站在巨人的肩膀上’，這個‘巨人’指的就是笛卡爾。沒有笛卡爾的鋪墊，牛頓到達不了後來的高度。”

將蘋果與月亮相提並論是笛卡爾的思想，並非牛頓原創

對大多數人來說，笛卡爾是個著名的哲學家，吳國盛教授則告訴大家，笛卡爾更是新物理學的第一人：“17世紀是一個天才的世紀，羣星閃爍，笛卡爾則是17世紀前半葉最閃亮的明星。笛卡爾創立了一套新物理學來全方位取代亞里士多德的舊物理學，他是新物理學的第一人。”

亞里士多德認爲天和地完全不一樣，物質組成不一樣，天上是純粹的、透明的、完美的，是不變化的，地上是土、水、氣、火四元素。運動方式也不一樣，天界的運動方式是勻速圓周運動，地上的運動方式是直線運動。而笛卡爾則認爲宇宙僅僅由物質和運動構成，不分天上地下，“這個思想稱之爲統一原理，直接應對哥白尼革命帶來的天和地界限打破這件事情。笛卡爾創立了嶄新的世界體系，除了物質和運動不存在別的解釋原則，亞里士多德那些非常複雜的實體、潛能、現實這些概念都不需要了，笛卡爾創立了新物理學的第一原理。這個原理對於牛頓的‘蘋果神話’非常重要，因爲‘蘋果神話’包含一個意思，即蘋果和月球之間沒有本質的區別。但這個思想不是牛頓的首創，笛卡爾已經提出來了。”

笛卡爾提出的第二個原理是慣性原理。亞里士多德認爲運動要麼是自然運動、要麼是受迫運動，自然運動是出於本性的運動，重物下落輕物上升，天經地義，而受迫運動一定需要外力維繫，外力一旦撤掉受迫運動就中止。笛卡爾認爲運動不需要外力維持，運動自我維持，而且數量守恆，“這被稱爲慣性原理，今天我們稱之爲牛頓第一定律，但牛頓第一定律的首創者不是牛頓而是笛卡爾。”

笛卡爾提出的第三點，宇宙模型是最關鍵的區別。亞里士多德的宇宙是天球宇宙，大球套小球，天球套地球這個模式。笛卡爾用渦旋宇宙模型替代天球宇宙模型，用宇宙渦旋解釋當時所碰到的所有物理問題。笛卡爾認爲，所有的行星繞太陽轉動，是因爲太陽周邊有一個大的渦旋。太陽之外還有很多渦旋。他認爲世界是多宇宙的，不只有一個太陽系。所有的渦旋都是由大量的渦旋微粒所構成。渦旋運動既解釋了太陽系裏行星的運動，也解釋了月亮繞地球的轉動、拋物體的運動、蘋果落地的自由落體運動、彗星運動等等。

吳教授有些遺憾地說：“除了我們做科學史的人之外，今天很少有人聽說過歷史上還有一個偉大的渦旋宇宙體系，那是因爲牛頓徹底清除了渦旋宇宙，用萬有引力宇宙取而代之，這相當於新物理學的版本轉換，如果說笛卡爾的物理學是新物理學1.0版，牛頓的新物理學就是2.0版，正是這個版本轉換，導致笛卡爾在科學史上的地位遠遠不如牛頓。今天在哲學系，笛卡爾的書仍是必讀書，但物理教科書裏基本上沒有笛卡爾的名字。”

牛頓曾經對鍊金術投入很多精力

天才牛頓在在劍橋讀本科四年期間基本是自學，因爲他發現沒什麼可學的，老一套東西他都不愛學，於是自學了天文學、數學、哲學，“牛頓的天才在劍橋表現得極爲突出，雖然是自學，但大學畢業的時候他已經成爲當時學科前沿的開創者。”

吳教授透露，牛頓一輩子興趣比較廣，他在劍橋待的那麼多年裏，其實用心比較多的並不是萬有引力，甚至也不是微積分的發明，1667年－1684年，牛頓最主要的精力投入了鍊金術實驗，排在他興趣第二位的是聖經年代學研究，此外光學實驗是他在學生時代就比較喜歡的一個實驗類型，“他造了一個反射式望遠鏡，後來被命名爲牛頓式望遠鏡，可以解決色差問題，是望遠鏡裏非常重要的一類，牛頓憑着這個發明入選了皇家學會。瘟疫期間他雖然思考過重力問題，但後來擱置了十幾年，一直沒太關注。”

現在有證據表明，在1665年—1669年，牛頓做了很多計算。其中有兩個非常重要的計算：“第一個，他算出了一個圓周運動的物體會有離心力，離心力與距離成反比，與它的速度的平方成正比，F=mv2/r，現在叫做惠更斯公式，牛頓大概在1665年—1669年期間就推導出來了。他推導完之後根據地表蘋果的重力加速度，再根據月球的運動週期，算出來地表重力應該是月球離心力的4325倍。這個計算結果當然是有問題的，因爲牛頓當時的數據不是很準。

牛頓的第二個計算是根據開普勒第三定律以及他自己新得到的離心力公式，推導出平方反比公式，離心力應該與距離的平方成反比，根據這個公式，他計算出地表的重力應該是月球離心力的3600倍。兩個計算的結果不一致，並不令人滿意。於是牛頓似乎認爲，笛卡爾式的渦旋還在起作用，引力問題就被擱置了。

牛頓重新把萬有引力撿起來是1679年，“牛頓之所以敢於把萬有引力提出來，而且把它作爲一個主要的決定性因素來思考，與其鍊金術活動是有關係的。 ”

英國著名的物理學家胡克和牛頓在光學問題、發現萬有引力的優先權上一直爭吵不休，1679年胡克給牛頓寫信說，咱們能不能不打了，恢復通信，胡克的來信，讓牛頓進一步思考，“在這段時間內鍊金術活動對他的思想有很大影響，他越來越相信存在具有超距作用的萬有引力。萬有引力和宇宙渦旋最大的區別是什麼？宇宙渦旋是微粒的碰撞，蘋果落地、月亮繞球轉動，在笛卡爾看來都是大量微粒碰撞的結果。而牛頓的萬有引力是個超距作用，兩個物體之間即使隔着遙遠的距離，不接觸也能發生作用。”

牛頓真正發現萬有引力定律是在1684—1686年，而不是在倫敦瘟疫那兩年

牛頓對萬有引力產生興趣的轉機發生在1684年，那年，發現哈雷彗星的哈雷專程去拜訪牛頓，詢問假定太陽對行星的引力是與距離平方反比的話，行星軌道應該是何種曲線？牛頓回答說當然是橢圓，自己早就算過了，哈雷說能否讓他看一看，牛頓假裝找了找說找不到，承諾哈雷找到後寄給他，結果牛頓果然花了三個月時間寫了一份證明過程寄給哈雷。吳教授說：“這個證明就是任何做橢圓軌道運動的物體，必然受一個朝向焦點的平方反比力，反之，任何在平方反比力作用下的物體必然做一個橢圓或者圓錐曲線運動，這是萬有引力定律的第一個關鍵證明，這個證明嚴格說是1684年年底才做出來的。”

哈雷收到這封信之後非常激動，立即鼓勵牛頓多寫一點。“哈雷點燃了牛頓未來一年半的熱情，在這段時間，牛頓其他事都不幹了，連最喜歡的鍊金術也不玩了，專心致志寫作那部偉大的著作《自然哲學的數學原理》。在這部偉大的著作裏，牛頓以一種前無古人後無來者的超級天才的洞察力，對此前種種思想要素做了一個綜合，構造了一套非常偉大的公理體系，這個體系就是牛頓力學體系。”

吳教授講述說，在這部著作裏，牛頓用他發明的微積分證明了地球吸引蘋果的方式。“地表上的蘋果離地球的地表很近，過去不知道怎麼算那個距離。如果離得很遠的話，大概可以以物體和地心的距離作爲距離來計算，可是蘋果在地球表面，那麼地球吸引蘋果應該以什麼距離吸引呢？這其實是一個微積分的問題。牛頓嚴格證明了地球吸引蘋果就如同所有的質量都集中在球心一樣，這隻有牛頓能證明出來，沒有微積分這點沒法證明，而這點證明不了，萬有引力定律就沒法用，就沒有辦法知道地球怎麼吸引物體。萬有引力兩個重要的原理都在1684年—1686年完成，所以，真正發現萬有引力定律是在這兩年，而不是在倫敦瘟疫那兩年。”

天不生牛頓，萬古如長夜

1665年—1669年，也就是瘟疫之年和瘟疫之後，牛頓初步推導出了平方反比力公式，1684年底嚴格證明了平方反比力公式。1686年—1687年嚴格證明了球體引力公式，1687年出版的這本《原理》裏面萬有引力定律才大功告成。

《自然哲學的數學原理》成就了牛頓在科學界“大牛”的地位，吳國盛教授說：“ 《自然哲學的數學原理》出版以後，新的天文學終於有了堅實的物理基礎，對古代科學的整體替代完成，因此牛頓是科學革命的完成者。今天我們所做的科學大範圍內還是牛頓科學，所有的其他學科都向着牛頓物理學看齊，牛頓物理學成了近代科學的一個典範。牛頓不僅僅做出來許多了不起的科學成就，而且建立了科學的標準，這是他最牛的地方。這個時候的牛頓可以說是神一般的存在了。英國著名詩人浦珀應邀爲牛頓寫了一個墓誌銘，很可惜這個墓誌銘並沒有真的刻在西敏寺的牛頓墓碑上，這個墓誌銘寫道：‘自然和自然律在黑暗中隱藏，上帝說，讓牛頓去吧，於是一切豁然開朗！’有些中國人喜歡譯成更簡潔的句子，即‘天不生牛頓，萬古如長夜’。”

17世紀是天才輩出的世紀，爲什麼惟有牛頓能作出這樣的成就？吳教授分析原因有三，首先，這是一個偉大的時代，從哥白尼、開普勒、伽利略、波義耳到笛卡爾，都是牛頓的先驅。

第二，牛頓有獨特的天分，擁有超凡的數學能力和實驗能力。他的天分正好揭示了近代科學的兩個祕密，就是數學加實驗。“牛頓是人類歷史上的超級數學天才之一，進入前五名應該沒問題，而且牛頓不僅是數學厲害，實驗能力也極強。他早年初出茅廬時被認可，就是因爲做光學試驗。今天雖然發現牛頓的光學理論有很多錯誤，但是他的關鍵實驗仍然正確，他對白光復合光的發現今天仍然正確，其實驗方法仍然是最絕妙的。”

第三個原因，則是牛頓從事研究的動機是什麼。“我們通常喜歡把科學看成是一個促進生產力發展的技術，用於造就財富，但牛頓的科學沒有這些功能。談到牛頓就不能不談他的信仰，牛頓相信唯意志論的上帝，牛頓認爲，上帝的全知全善全能不在於他是不是理性，而在於他能不能自由揮灑他的意志，在於他能不能說了算。在一個說了算的上帝那裏，他可以隨時改變這個世界，一個隨時改變世界的上帝和一個做好了世界的上帝不一樣。如果上帝按照理性的方式創造宇宙，這樣的世界，人們只需要通過理性的方式認識就可以了。笛卡爾的上帝是唯理論的上帝，他的體系是通過概念進行理性推理，比如笛卡爾哲學就是從‘我思故我在’這樣一個第一命題、完全不能懷疑的命題往下推，他構造了一套推理體系系統。可是牛頓的上帝不允許單憑理性認識這個世界，因爲任何理性的構造都可以被上帝隨時打破，面對這樣一個唯意志論的上帝，人們認識世界的唯一方法是經驗，就是得小心翼翼地獲取經驗，通過對經驗進行歸納總結，來揣摩這個世界的規律。牛頓的信仰裏面特別強調經驗的紮實性。因此萬有引力的發現過程中，牛頓實際是總結了大量物體運動的現象後對它們進行數學歸納。所以，牛頓能夠提出和笛卡爾不一樣的一套宇宙體系。”

吳教授表示，牛頓本人其實不是一個牛頓主義者，“在牛頓看來，宇宙一半是機械的，一半是微妙的。機械的部分是可以用《原理》解釋，微妙的部分用鍊金術來解釋，但是無論是機械的還是微妙的，歸根到底是由上帝解釋。我希望這樣一個知識架構可以幫助大家理解牛頓，理解牛頓爲什麼一輩子主要的時間像魔法師一樣在玩鍊金術、研究聖經年代學。” （供圖 人文清華）

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