由肺炎想起牛頓與倫敦大瘟疫 ——“家裡蹲”科研成果

這幾天大家都在關注新型冠狀病毒疫情,我和大家一樣,也在時時關注,早晨醒來第一件事就是打開手機刷最新消息。早晨的時候,想起前段時間給學生講過牛頓也經歷過一次大瘟疫,今天寫出來和大家分享。




1665年,一場瘟疫席捲全英國。

當時的英國,情景並不比我們今天的情況好,一時間人心惶惶。當時的醫療條件很差,很多人回到鄉村躲避。為了躲瘟疫,牛頓離開劍橋大學,回到了家鄉沃爾索普進行自我隔離,不串門、不逛街、不參加聚會。

但就這段獨處的清靜歲月,成為了他一生創造發明的高峰期。誰也沒想到,1666年後來成為歷史上的物理學奇蹟年。在18個月內,牛頓創立二項式定理,發明微積分,發明反射式望遠鏡和發現日光的七色光譜,確立了牛頓第一、牛頓第二定律和引力定律的基本思想,一舉奠定了經典物理學的基礎。


由肺炎想起牛頓與倫敦大瘟疫 ——“家裡蹲”科研成果


著名的蘋果砸到牛頓頭上的故事,就在這段時間發生的。

我們中學要學的很多物理定理,也都是牛頓在這期間創立的。


倫敦大瘟疫:黑死病

這還要從1665-1667年倫敦的鼠疫,即黑死病流行說起。

黑死病是人類歷史上最嚴重的瘟疫,致病是因為鼠疫桿菌,死亡率極高,目前為止死亡總數高達2億人,肆虐地球至少300年。

歷史上鼠疫有三次大流行。首次大流行發生於六世紀,起源於埃及的西奈半島,波及到歐洲所有國家,死亡近二千五百萬人。第二次發生於十四世紀,僅歐洲就死亡二千五百萬人,英國近1/3的人口死於鼠疫。到1665年,這場鼠疫肆虐了整個歐洲,幾近瘋狂。僅倫敦地區,就死亡六七萬人以上。1665年的6月至8月的僅僅3個月內,倫敦的人口就減少了十分之一。到1665年8月,每週死亡達2000人,9月竟達8000人。


由肺炎想起牛頓與倫敦大瘟疫 ——“家裡蹲”科研成果


鼠疫由倫敦向外蔓延,英國王室逃出倫敦,市內的富人也攜家帶口匆匆出逃,劍橋居民紛紛用馬車裝載著行李,疏散到了鄉間。倫敦城有1萬餘所房屋被遺棄,有的用松木板把門窗釘死,有病人的住房都用紅粉筆打上十字標記。離倫敦不遠的劍橋大學被迫停課,校園關閉,師生都被疏散到鄉間。這時剛剛取得學士學位的牛頓,返回了林肯郡的家鄉農莊。

家鄉伍爾索普的農莊寧靜得如同世外桃源,母親熱情地歡迎他,還有那三位同母異父的弟弟妹妹們也比以前懂事。在這裡,牛頓有充分的時間獨自思考、實驗和推敲,這位剛剛畢業的大學生心智已經成熟,而創造力達到了一生的巔峰,做出了一系列革命性的重要發現,成就了“牛頓的神話”。


十八個月創造的奇蹟

①流數術——微積分的發明

牛頓創造了流數(fluxion)的概念,從對幾何學與運動學的研究找到了突破,1665年11月、1666年5月的相關筆記上都有關於用運動解決問題的構想:時間是流動的,速度是時間的函數,加速度是速度變化率,他用自己的符號,把這些稱為“流動物”或“轉變物”,把數學量視作是由連續的軌跡運動而產生,許多物理量也都可以用它來研究。1666年10月寫成被朋友傳閱的手稿《論流術》,發明了用無窮項級數計算曲線下面積的方法,他命名的流數術就是現代微積分的雛形。牛頓有個習慣,就是從來都不著急發表自己的發現,這也許是與性格和當時的學術環境有關,直到很晚《流數術》才正式出版。


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②萬有引力定律的提出

其次,在有了流數術的工具後,牛頓在開普勒定律的基礎上總結出萬有引力定律,當然這也有一個漫長的過程,一步步澄清了一系列問題,從橢圓軌道的方程與平方反比關係,到均勻球體的引力距離推算,再到實驗驗證,當1687年《自然哲學的數學原理》發表時已過去二十多年。但這一切都是從伍爾索普的蘋果樹下的深入縝密的思考開始的,並且牛頓還把目光從蘋果轉向了月球。他的月地檢驗證明了天上的力與地上的力並無二致,原理也容易理解:月球到地球的距離約是地球半徑的60倍,因此根據月球繞地球週期算出的向心加速度如果滿足平方反比關係的話,就應該是地球表面重力加速度的1/3600,計算結果與預測相符。這個偉大的聯繫使“天上”的力與“地上”的力得以統一。


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③蘋果落地和那顆蘋果樹

其中著名的蘋果落地的故事是源於伏爾泰的轉述,據說是牛頓外甥女巴頓夫人親口告訴他的。同樣也是有人堅信,有人認為子虛烏有,比如數學家高斯屬於後者。這棵蘋果樹據說在1820年被風吹倒了,還被人分為好幾段,保存在皇家學會等地。後來劍橋三一學院窗外的那棵並不太老的蘋果樹也是從牛頓的老家引種的,經常被遊人搞錯,而成為著名的拍照景點。


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④光的色散與牛頓環

另外一項重要發現就是對光的色散的研究。1666年,牛頓用市場買來的三稜鏡做了這樣的實驗,他記錄道:“把房間遮成黑暗,在窗上開一個小洞,太陽光從外面照進來。我把稜鏡放在光線中,折射的光線打到對面的牆壁上。在一開始,這是個愉快的消遣。”然後,他看到了寬度變為原來5倍的光帶——紅橙黃綠藍靛紫,對於這個現象他不滿足於以前光學書籍的解釋,在一次次重複實驗與觀察後,得出了全新的判斷:白光是一種複合光,按照一定比例混合而成的。這個發現無疑提升了對顏色與光的認知,為光學的發展指明正確的方向。


由肺炎想起牛頓與倫敦大瘟疫 ——“家裡蹲”科研成果


牛頓還曾把一個磨得很精、曲率半徑較大的凸透鏡的凸面,壓在一個十分光潔的平面玻璃上,在白光照射下可看到,中心的接觸點是一個暗點,周圍則是明暗相間的同心圓圈。後人把這一現象稱為“牛頓環”。他創立了光的“微粒說”,從一個側面反映了光的運動性質,但牛頓對光的“波動說”並不持反對態度。


由肺炎想起牛頓與倫敦大瘟疫 ——“家裡蹲”科研成果


倫敦大瘟疫的1665-1667年這段時間,牛頓剛好是23歲到25歲的黃金時期,憑藉著驚人的創造力與探索精神,在這短短的十八個月中奠定了一生科學研究的主要成果,也成為近代物理學與科學革命中最重要的人物之一。因此有人把這十八個月的鄉間生活稱為“牛頓的神話”。像這樣的年輕人在短時間獨自完成幾項革命性突破,在科學史上能與之相媲美的恐怕只有1905年的愛因斯坦“奇蹟年”吧,當然那是後話了。

1667年3月底,人們終於從大瘟疫的傷痛中慢慢平復。復活節剛過,牛頓匆匆返回了劍橋,繼續他的學習與研究。不久以後,剛剛取得文學碩士學位的牛頓在年僅26歲便接替他的恩師巴羅成為盧卡斯教席的第二任教授…


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啟示與倡議

因此,在武漢肺炎全面爆發的當下,14億人在家裡自我隔離,窩在家裡的我們不能無所事事無所作為,正好趁機靜下心來,足不出戶,大幹一番。也許就是你創造力最巔峰的時候。


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少發牢騷,少傳播謠言,少串門;多獨處,多思考,淡定下來:

如果:你是上班族,可以總結整理一下2019年的工作得失,規劃梳理一下2020年的突破方向,要達到什麼目標,掙多少錢才好;

如果:你是學生黨,那就學習學習再學習,給自己做個學習計劃,先把寒假作業搞定,然後查漏補缺,有針對性地補補自己上學期沒學好的內容,然後把開學後的內容提前學起來,說不定你隔壁的學霸已經開始學啦。


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當然,還可以多陪陪家人,嘮嘮嗑,做點家務活,刷鍋洗碗拖地什麼的,哈哈。


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