科學(xué)史：萬有引力不是“蘋果為什么落地”這么簡單

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，這是因為地球有吸引力！

然而，這個故事?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。實際上，在中世紀(jì)“地心說”就已經(jīng)成為了一種共識（在“地心說”中，物體朝向地心自然下落）。到了牛頓生活的時代，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，而是更為復(fù)雜的問題——“星體為何沒有因為離心力而飛出太陽系，或者因為向心力而飛向太陽”。

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，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，這就要求每個地方都必須充滿這種“介質(zhì)”，或者說整個宇宙都要充滿這種“介質(zhì)” 。笛卡爾還為這樣一個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)為以太充滿了整個宇宙，然而這些以太并不是靜止不動的，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，就形成了一個個“漩渦”，這些漩渦的中心便是“星體”。漩渦中心對漩渦其余部分，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，笛卡爾的理論可以說是非常有說服力的，因為它基本上完美地解釋了，為什么在太陽系邊緣上的星體運行速度要比靠近太陽系中心的星體更慢。而牛頓卻對笛卡爾的“以太學(xué)說”產(chǎn)生了懷疑。凡是學(xué)過光學(xué)的人都知道，牛頓做過一個著名的光學(xué)實驗——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，因為開普勒就認(rèn)為引力如同磁力一樣（實際上，“引力”這個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。笛卡爾一脈的學(xué)者認(rèn)為，粒子之間只有緊挨著的時候才會發(fā)生作用，而牛頓則認(rèn)為即便在很遠(yuǎn)的距離上，粒子之間也會發(fā)生作用。

還有一位我們熟知的大人物，同時也是牛頓一生的學(xué)術(shù)對手——萊布尼茨，他對牛頓的萬有引力觀也持批評的態(tài)度。因為按照笛卡爾的主張，引力是“牽一發(fā)動全身的”，就如同從地上撿起了一件衣服，當(dāng)你捏著領(lǐng)子往上提的時候，衣服的袖子和下擺也跟著向上運動起來。如果按照牛頓的主張，兩個點之間是沒有任何“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)時的條件無法觀測到這一點。這個問題也令牛頓十分困擾，而他對此的回答則是，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》（Lettres anglaises）中這樣寫道：“一個法國人到了倫敦，發(fā)覺哲學(xué)上的東西跟其他的事物一樣變化很大。他去的時候，還覺得宇宙是充實的，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，人們卻一點兒也不這樣看。”

當(dāng)然，牛頓也認(rèn)為“以太漩渦說”仍然頗有可取之處，因為笛卡爾的理論可以很好地解釋為什么宇宙中的很多星體都需要“圍繞著一個中心旋轉(zhuǎn)”，即“向心力”的問題。牛頓承認(rèn)自己的理論其實并不能為“引力”的“物理學(xué)起源”找到一個恰當(dāng)?shù)慕忉專蛟S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：

有個事實并非是廣為人知的，即盡管宗教精神深入牛頓的心靈，他依然遭到了強烈的反對。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《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”。然而事實并非如此，牛頓保持著清醒的認(rèn)識，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，將牛頓視為一個晚年誤入歧途的神學(xué)家，是不太恰當(dāng)?shù)?。因為“上帝作為宇宙的第一推動者”這樣的觀念，在當(dāng)時是物理學(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)中必然有一個終極的動力因，這個原因不被任何其他因素所攪動，而他本身憑借自身的自發(fā)運動，帶動了整個世界的運轉(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單獨的萬有引力的來源。當(dāng)時有一位年輕的神學(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兒“瑕疵”，于是他便寫信向牛頓詢問了這樣一個問題：如果宇宙中空空如也，星體之間又會彼此吸引，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)時最聰明大腦的牛頓也覺得這個問題非常棘手。他在回復(fù)本特利的時候老實地回答：“至于引力的原因，我不打算假裝知道，并且我會因此花更多的時間來思考它?！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數(shù)學(xué)成就——“微積分”。學(xué)過微積分的人都知道“極限”這個基本概念，即一個“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星體，但是引力的總和卻是一個“極限”，而這個“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轉(zhuǎn)，從而不需要一個“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采納這一觀點。

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”，他仍然不會以今人的“無神論”角度來思考他的發(fā)現(xiàn)。其實承認(rèn)牛頓自始至終都是一個宗教信徒，絲毫不能貶損他在思考自然問題時的天才表現(xiàn)。更加有趣的是，可能恰好因為他對上帝性質(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，但對于其同時代的年輕人而言，他就是一個超人般的存在，在彼時那些年輕人看來，牛頓已經(jīng)一勞永逸地解決了宇宙之謎。