這次疫情讓我想到了學習標兵——牛頓。
1665年1月,牛頓被劍橋大學三一學院授予學士學位,成為三一學院當年25名畢業生中的一員,時年22歲。
然而,沒高興多久,這年夏天,倫敦爆發鼠疫。
為了防疫工作,學校暫時放假、遣散學生,牛頓也戀戀不捨回村,暫避在母親那裡。
之所以說戀戀不捨,是因為牛頓知道,自己不是種田的料,回到村裡,會耽誤自己的“正業”。
但事實證明,只要你願意,在哪兒都一樣。
回鄉後,牛頓自己蓋了一間書房,又做了幾個書架,將書和筆記本整整齊齊擺放在書架上,繼續他的學習與研究事業。
微積分
大約從1664年春開始,牛頓已對微積分(牛頓稱之為流數術)產生濃厚興趣,且1665年5月20日的手稿中,就已出現“流數術”的相關記載。
而在村裡隔離的18個月間,牛頓正好可以遠離城市的喧囂,沉下心來,繼續思考並研究微積分的相關問題。
在牛頓生活的時代,數學界有幾個難題,比如,
• 如何作出曲線上任意一點的切線?
• 如何計算曲線下方,與x軸圍成的面積?
牛頓在鄉下,結合笛卡爾等前輩的理論,對這些問題進行了深入的思考。
天體運行
同時,牛頓也思考了天體物理的相關問題。
在牛頓那個時代,人們已普遍接受了哥白尼的日心說,這個模型的觀點是:
1. 行星軌道是完美的圓。
2. 太陽位於圓心。
3. 一顆行星的運行速度是恆定不變的。
後來,開普勒(比牛頓大72歲,當時已去世)對日心說模型進行了修正,使之更符合觀測:
1. 每個行星的軌道不是圓,
而是橢圓,太陽處於橢圓的一個焦點。
2. 一顆行星的速度並不保持恆定,真正保持恆定的是“面積速度”,即:
在相等時間內,一顆行星和太陽的連線所掃過的面積是相等的。
3. 行星的軌道離太陽越遠,轉一圈所耗時間越長,但週期與軌道半長軸a有一恆定的規律:
各個行星軌道的半長軸a的立方,除以繞太陽轉一圈所耗時間T的平方,結果是常數。
即:
這三條,就是著名的開普勒三定律,而這些新結論,也更符合當時的、現代的實際觀測。
但是,雖然人們發現了這個更精確的規律,但卻不知道是什麼神秘力量,驅使行星們遵守了這些定律。
因此,一些科學家也嘗試作出解釋,比如,笛卡爾認為:
行星間瀰漫著一種叫“以太”的物質,而以太做渦旋運動,驅使行星運動。
這就是笛卡爾的“渦旋說”。
另一位科學家博雷利(Borelli)認為,
太陽吸引著這些行星。
博雷利對牛頓影響可能較大,因為牛頓手頭有他的書。
在鄉下隔離的這段時間,牛頓研究了這些說法,並進行了深入思考:
蘋果之所以落回地面,應該是地球對蘋果有拉力。
同時:
地球對月球也應該有拉力,這和地球拉蘋果是一樣的。
但是:
為什麼蘋果會落回地面,可月亮沒有砸向地球?
後來,牛頓想到了伽利略的一個觀點:
物體具有慣性。
換句話說,
勻速直線運動不需要力。
因此,可能是月球擁有一個初速度,並一直運動下去。
但月球是繞地球作曲線運動,並不是直線運動啊。
然後,牛頓又想到了伽利略的另一個理論:
平拋運動有兩個獨立的運動趨勢,一個是水平方向的勻速直線運動,一個是垂直方向的自由落體運動,兩者結合,就形成了軌跡為曲線的平拋運動。
這樣,牛頓認為:
月亮一方面具有初速度,有著向水平方向飛出的趨勢;
另一方面,月球又有砸向地球的趨勢。
這兩者結合,形成了“圓周運動”,而且,地球對蘋果的吸引力,同樣適用於月亮。
這樣一來,物理規律在天上和地面,和諧統一了。
這便是萬有引力定律的雛形。
然後,牛頓開始著手計算所謂的“引力”。
但有趣的是,牛頓將地球的每一維度的長度111.2公里,記成了96.56公里。這使得計算結果並不很好地符合實際觀測。
在這之後,牛頓的心情不佳,寫道:
適量的飲酒可使人感覺美妙,暴飲暴食則令人產生幻想,而過度的研究會使人瘋狂。
有時,一家人正在吃飯,牛頓會突然會冒出幾句誰也聽不懂的話。他媽和弟弟妹妹覺得,這人可能是瘋了吧。
顯然,牛頓已經意識到,過度的科研也會有損健康。
總結
牛頓曾說:
我是站在巨人肩膀上的。
他這還真不完全是謙虛,這是事實,因為:
科學的發展是連貫的。
任何科學進步,並不是由一個天才科學家依靠“突發奇想憋出來”的,而是無數科學家,通過勤奮的思考,在前人種的樹上,再長出新的枝幹和花朵,並形成參天大樹。
當我們無所事事時,我們永遠要保持警惕,因為,
比我們更聰明的人,從未停止思考。
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