科學(xué)史：萬有引力不是“蘋果為什么落地”這么簡(jiǎn)單

關(guān)于“牛頓和萬有引力”之間的流傳最廣、知名度最高的故事，莫過于“砸在牛頓頭上的蘋果”。這個(gè)故事一般版本如下：

一天傍晚，牛頓坐在蘋果樹下乘涼。忽然，一個(gè)蘋果從樹上掉下來，落在他的身邊。他覺得很奇怪，心想：“蘋果為什么會(huì)掉下來呢？” 他繼續(xù)自言自語，“可是，為什么蘋果只向地面上落，而不向天上飛去，也不向左、向右拋開呢？” 為了弄明白這個(gè)問題，他又反復(fù)地觀察，專心地研究，終于發(fā)現(xiàn)了蘋果落地的秘密……原來，這是因?yàn)榈厍蛴形Γ?/p>

然而，這個(gè)故事?lián)f是伏爾泰從牛頓的侄女那里聽來的，并不見于任何正式記載。實(shí)際上，在中世紀(jì)“地心說”就已經(jīng)成為了一種共識(shí)（在“地心說”中，物體朝向地心自然下落）。到了牛頓生活的時(shí)代，距離哥白尼提出“日心說”差不多有兩百年了，且從伽利略至開普勒，“日心說”都已經(jīng)逐步替代了“地心說”。所以，“地心引力”對(duì)于牛頓來說根本不是什么新鮮事，他需要回答的不是“蘋果為什么落地”這樣的常識(shí)，而是更為復(fù)雜的問題——“星體為何沒有因?yàn)殡x心力而飛出太陽系，或者因?yàn)橄蛐牧Χw向太陽”。

牛頓

牛頓與笛卡爾的分歧

在“萬有引力”的研究上，法國人笛卡爾是牛頓的前輩。

笛卡爾

笛卡爾研究引力是從一個(gè)意想不到的方向入手的，這就是“光學(xué)”。我們現(xiàn)在可以接受光是在真空中傳播的觀點(diǎn)，但是在笛卡爾看來，光的傳播必須借助一種叫做“以太”（Ether）的“介質(zhì)”，由于光幾乎是無處不在的，這就要求每個(gè)地方都必須充滿這種“介質(zhì)”，或者說整個(gè)宇宙都要充滿這種“介質(zhì)” 。笛卡爾還為這樣一個(gè)被以太充滿的宇宙起了名字，叫Plenum，意思就是“被（以太）充滿的（空間）”

那么，這種“以太”又與“萬有引力”有什么關(guān)系呢？如前所述，笛卡爾認(rèn)為以太充滿了整個(gè)宇宙，然而這些以太并不是靜止不動(dòng)的，而是旋轉(zhuǎn)起來了。通俗地說，宇宙如同一碗濃湯，而上帝就像一個(gè)喝湯的人，他用勺子在這碗湯中攪拌了一下，于是在這碗“宇宙濃湯”中，就形成了一個(gè)個(gè)“漩渦”，這些漩渦的中心便是“星體”。漩渦中心對(duì)漩渦其余部分，有一種自然而然的“吸引力”，這就是宇宙中引力的來源。

以太漩渦說

在當(dāng)時(shí)，笛卡爾的理論可以說是非常有說服力的，因?yàn)樗旧贤昝赖亟忉屃?，為什么在太陽系邊緣上的星體運(yùn)行速度要比靠近太陽系中心的星體更慢。而牛頓卻對(duì)笛卡爾的“以太學(xué)說”產(chǎn)生了懷疑。凡是學(xué)過光學(xué)的人都知道，牛頓做過一個(gè)著名的光學(xué)實(shí)驗(yàn)——用三菱鏡將白光分解為七色光，而此前笛卡爾主張白光是一種單純的物質(zhì)。 由于這一觀察，牛頓開始對(duì)笛卡爾有所質(zhì)疑。

在牛頓看來，宇宙之中或許并沒有充滿某種“看不見的物質(zhì)”的必要，它可以是空空如也的，星體之間的“引力”也并不需要某種“看不見的介質(zhì)”來進(jìn)行傳遞。他這一思路頗有可能繼承自開普勒，因?yàn)殚_普勒就認(rèn)為引力如同磁力一樣（實(shí)際上，“引力”這個(gè)詞就是開普勒從磁力那里借來的），可以在彼此不相鄰的情況下產(chǎn)生作用。

笛卡爾與牛頓的分歧，在科學(xué)史上可以稱為是“近距離作用力”和“遠(yuǎn)距離作用力”之爭(zhēng)。笛卡爾一脈的學(xué)者認(rèn)為，粒子之間只有緊挨著的時(shí)候才會(huì)發(fā)生作用，而牛頓則認(rèn)為即便在很遠(yuǎn)的距離上，粒子之間也會(huì)發(fā)生作用。

還有一位我們熟知的大人物，同時(shí)也是牛頓一生的學(xué)術(shù)對(duì)手——萊布尼茨，他對(duì)牛頓的萬有引力觀也持批評(píng)的態(tài)度。因?yàn)榘凑盏芽柕闹鲝垼κ恰盃恳话l(fā)動(dòng)全身的”，就如同從地上撿起了一件衣服，當(dāng)你捏著領(lǐng)子往上提的時(shí)候，衣服的袖子和下擺也跟著向上運(yùn)動(dòng)起來。如果按照牛頓的主張，兩個(gè)點(diǎn)之間是沒有任何“介質(zhì)”的，那么引力的傳播應(yīng)當(dāng)是有一定“延遲”的，可是以當(dāng)時(shí)的條件無法觀測(cè)到這一點(diǎn)。這個(gè)問題也令牛頓十分困擾，而他對(duì)此的回答則是，無處不在的上帝使得這股力量呈現(xiàn)于世界每個(gè)角落。

笛卡爾和牛頓學(xué)說之間的差異，除了學(xué)術(shù)見解不同外，也有可能與一直都不太融洽的英法關(guān)系有關(guān)。伏爾泰在其作品《英格蘭書簡(jiǎn)》（Lettres anglaises）中這樣寫道：“一個(gè)法國人到了倫敦，發(fā)覺哲學(xué)上的東西跟其他的事物一樣變化很大。他去的時(shí)候，還覺得宇宙是充實(shí)的，而現(xiàn)在他發(fā)現(xiàn)宇宙空虛了。在巴黎，人們認(rèn)為宇宙是由精細(xì)物質(zhì)的漩渦組成的；而在倫敦，人們卻一點(diǎn)兒也不這樣看?！?/p>

當(dāng)然，牛頓也認(rèn)為“以太漩渦說”仍然頗有可取之處，因?yàn)榈芽柕睦碚摽梢院芎玫亟忉尀槭裁从钪嬷械暮芏嘈求w都需要“圍繞著一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)”，即“向心力”的問題。牛頓承認(rèn)自己的理論其實(shí)并不能為“引力”的“物理學(xué)起源”找到一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕忉?，或許他認(rèn)定，引力的存在可以是某種“自世界創(chuàng)造以來便已經(jīng)如此”的狀況。

“萬有引力”是上帝的創(chuàng)造

牛頓的“萬有引力”不僅在科學(xué)界引發(fā)討論，也在神學(xué)界掀起軒然大波。在安德魯·迪克森·懷特所著的《科學(xué)與神學(xué)論戰(zhàn)史》中，關(guān)于“牛頓與萬有引力”的關(guān)系之間，有這樣一段話：

有個(gè)事實(shí)并非是廣為人知的，即盡管宗教精神深入牛頓的心靈，他依然遭到了強(qiáng)烈的反對(duì)。由于他闡述了萬有引力定律，有人嚴(yán)厲地指責(zé)他“剝奪了上帝對(duì)《圣經(jīng)》中一直確認(rèn)是其造物的直接作用，并把它變成了一種物質(zhì)作用過程”，還指責(zé)他“用萬有引力取代了上帝”。

不過，懷特的作品給人這樣一種印象，即由于陷入了某種宗教的迷思，牛頓真的用“萬有引力”取代了“上帝”。然而事實(shí)并非如此，牛頓保持著清醒的認(rèn)識(shí)，他認(rèn)為“萬有引力”乃是上帝用來令宇宙掌握某種驚人平衡的力量。

根據(jù)史料來看，將牛頓視為一個(gè)晚年誤入歧途的神學(xué)家，是不太恰當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)椤吧系圩鳛橛钪娴牡谝煌苿?dòng)者”這樣的觀念，在當(dāng)時(shí)是物理學(xué)研究的默認(rèn)前提。無論是笛卡爾、萊布尼茨還是牛頓，他們的物理學(xué)中必然有一個(gè)終極的動(dòng)力因，這個(gè)原因不被任何其他因素所攪動(dòng)，而他本身憑借自身的自發(fā)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)了整個(gè)世界的運(yùn)轉(zhuǎn)。

因此笛卡爾與牛頓之間的分歧，不在于有沒有上帝，而在于自然之中有沒有一個(gè)單獨(dú)的萬有引力的來源。當(dāng)時(shí)有一位年輕的神學(xué)家本特利，他機(jī)敏地發(fā)現(xiàn)了牛頓的萬有引力理論中存在了一點(diǎn)兒“瑕疵”，于是他便寫信向牛頓詢問了這樣一個(gè)問題：如果宇宙中空空如也，星體之間又會(huì)彼此吸引，那么為什么這些星體沒有坍縮到一起？

這便是“本特利悖論”，而如果將這個(gè)悖論進(jìn)一步推演，那么問題就更加難以回答：假如宇宙是無窮大的，其中的星體必然是無窮多的，那么星體之間的引力總和必然也是無窮大的（同時(shí)也是可以遠(yuǎn)距離相互影響的），可是這股無窮大的引力為什么沒有把星體扯碎呢？

即便是擁有當(dāng)時(shí)最聰明大腦的牛頓也覺得這個(gè)問題非常棘手。他在回復(fù)本特利的時(shí)候老實(shí)地回答：“至于引力的原因，我不打算假裝知道，并且我會(huì)因此花更多的時(shí)間來思考它?！保╢or the Cause of Gravity is What I do not pretend to know, and therefore would take more Time to consider it.）牛頓更愿意認(rèn)為引力乃是“天生如此”，或者說，在上帝創(chuàng)造世界的時(shí)候，引力便已經(jīng)如此了——星體之間的引力相互作用維持著某種微妙的平衡，使得星體恰好不被引力撕碎。

牛頓的《數(shù)學(xué)原理》，牛頓就是在《數(shù)學(xué)原理》的注解中承認(rèn)自己不知道引力起源的

至于宇宙中的引力是否無窮大，牛頓則求助于他的另一項(xiàng)數(shù)學(xué)成就——“微積分”。學(xué)過微積分的人都知道“極限”這個(gè)基本概念，即一個(gè)“可以無限接近，但永遠(yuǎn)無法企及”的界限。星體之間的引力可以相互作用，彼此可以抵消掉一部分，因此即便宇宙之中有無窮多個(gè)星體，但是引力的總和卻是一個(gè)“極限”，而這個(gè)“極限”便是上帝所設(shè)立的能夠維持所有星體不被扯碎的引力上限。

另外，牛頓之所以死活也不愿意承認(rèn)“引力是物質(zhì)的本質(zhì)且內(nèi)在的屬性”（Gravity as essential and inherent to Matter），還有著另外一層觀念上的原因。他覺得，一旦承認(rèn)引力是物質(zhì)的“本質(zhì)且內(nèi)在的屬性”，那么就意味著宇宙可以憑借自身運(yùn)轉(zhuǎn)，從而不需要一個(gè)“外在的上帝”。

這種觀念恰好符合“伊壁鳩魯派的哲學(xué)”——古代伊壁鳩魯派的原子理論，即認(rèn)為在一個(gè)無盡的空間中，原子根據(jù)一種內(nèi)在引力的法則不斷地墜落，這種哲學(xué)流派自古以來一直被人們視為是“無神論”的代表。出于宗教精神，無論是牛頓還是本特利都根本不會(huì)采納這一觀點(diǎn)。

故而，即便牛頓歸納出了萬有引力的定律——“萬有引力的大小與距離的平方成反比”，他仍然不會(huì)以今人的“無神論”角度來思考他的發(fā)現(xiàn)。其實(shí)承認(rèn)牛頓自始至終都是一個(gè)宗教信徒，絲毫不能貶損他在思考自然問題時(shí)的天才表現(xiàn)。更加有趣的是，可能恰好因?yàn)樗麑?duì)上帝性質(zhì)的一些思考，使得他能夠避開“以太學(xué)說”中的一些“陷阱”。

無論如何，牛頓雖然自己沒有找到自然之中的引力之源，但對(duì)于其同時(shí)代的年輕人而言，他就是一個(gè)超人般的存在，在彼時(shí)那些年輕人看來，牛頓已經(jīng)一勞永逸地解決了宇宙之謎。