正文
牛顿《原理》第三版的编者彭伯顿(Henry Pemberton)、牛顿剑桥大学卢卡斯数学教授席位继承者惠斯通(William Whiston)以及伏尔泰等人在他们关于《原理》的通俗著作中都说,由于当时所知的地球半径不准确,实测的加速度是4000倍,与3600倍接近但并不完全符合。按照他们的说法,牛顿因此没有立即发表自己的这一理论。直到后来法国天文学家皮卡德(Jean Picard)测出了比较准确的地球半径,两个数值才符合得很好,牛顿在他的《原理》中采用了这个新的测量值。此后,许多物理学教科书中都沿袭了这一说法,例如在费曼物理学讲义中就将之作为重视精密实验数据的科学态度的一个例子(【7】,卷 1,§7-4)。但是近年来根据对牛顿手稿的研究,历史学家们发现实际情况更为复杂。
今人能根据牛顿的手稿对他的思想演化过程进行深入的研究,首先要归功于牛顿本人。牛顿喜欢通过记详细的笔记进行学习和研究,而且作为完美主义者,他常常修改、重写自己的论文,所以常常留下同一著作的多个版本,这些文稿他也都没有丢弃而保留了下来,使人们可以了解他思想的演化过程。
另一方面,也多亏了康迪特夫妇。牛顿去世的时候,继承他遗产的大部分亲属都没有受过教育,他们主要关注牛顿手稿中那些近乎完成、能够出版的部分,希望通过出版这些手稿分到一点版税。康迪特夫妇则意识到牛顿手稿的巨大历史价值,因此他们小心地把包括算草纸在内的全部手稿保存了下来并传给了后人。
在牛顿1660年代的手稿中,的确找到了几篇相关的文稿,证明他的确进行了上述月球与地面的比较演算,牛顿成功地推导出圆周运动的公式,并且正如人们所说的, 由于当时采用的地球半径不准确,数值并不完全相符。此外,牛顿也演算了各行星随太阳距离的变化。这些都验证了牛顿从这时起就开始考虑重力并已知道平方反比关系的说法。
但是,这些历史学家也发现,在1660年代牛顿的力学观念还比较混乱。对于圆周运动,当时人们的概念存在一些错误。从经验可知,当人们用手挥动一个铁锤的时候,会感到需要用力抓住铁锤,否则它就会脱手飞出,这被当时的人们视为圆周运动物体的一种沿着切线方向的离心趋势(conatus)。牛顿计算的也是这种离心趋势的大小(他使用的就是conatus 这个词)。至于我们现在认为物体做圆周运动需要一个向心力(centripetal force),是牛顿在后来的著作特别是《原理》中才清晰阐明的。因此,现代历史学家们认为,牛顿的这些手稿表明,尽管在1660年代牛顿写下的公式在形式上与他后来在《原理》中给出的类似,但他在当时还并没有形成后来所说的万有引力概念。
1660年代牛顿主要受到笛卡尔机械论哲学(mechanical philosophy)的影响。笛卡尔注意到了物体的运动守恒(即动量守恒),主张物质通过相互接触作用而相互影响和改变运动状态。他认为宇宙中充满了物质(类似于以太)而没有不含物质的空间,这些以太的漩涡是驱动行星转动的原因。在这样一种理论中,并没有清晰地形成“力”的概念,只具有人们日常生活中使用的模糊含义。实际上直到 撰写《原理》的时候,牛顿在其拉丁文原文中还用了惯力(vis inertiae)这个词,其意为保持物体运动状态不变的“内在力”,当然今天人们一般都只说惯性(inertia) 而不再说惯力了
[1]
。
[1] 在一度长期流行的Motte-Cajori英译本中这个词被直接译为惯性(inertia)了,这倒是和现代物理教科书中的用法一致。在Cohen-Whitman的新译本【5】中为了更好体现拉丁文版历史原貌才又改为inertia force。在赵振江翻译的《原理》中文版中,可能是为了避免与现在物理学中的术语“惯性力”(指离心力、科里奥利力等非惯性参照系中出现的与物体质量成正比的力)相混淆,这个词被译为“惰性力”。
总之,牛顿的确早在1660年代就开始比较月球的圆周运动与地面重力加速度的数值关系了,因此,牛顿说苹果下落启发了他的思考应该并不是为了争夺万有引力优先权而编造的谎言。
只不过,牛顿当时并没有能彻底完成他的发现,而是停留在一个错误的概念上了。
不过,笔者还是总觉得有些疑惑。
牛顿显然意识到要维持月球绕地球旋转需要某种指向地球中心方向的东西,也就是使苹果下落的重力。
以他仅自学两年就完全掌握数学并发明微积分的天才,为什么在这个问题上会长期停留于一种模糊而错误的概念呢?
这殊不可解,但总之历史学者从研究牛顿手稿中得到的结论就是如此。
那么,牛顿后来是怎样最终形成了他在《原理》中给出的、也是我们在经典物理中学习的力的观念呢?
按照历史学家们的考证,牛顿的思路受到两方面的影响:
炼金术和胡克。