牛頓(XB0019)──天體力學的新紀元
Newton : Et La Mecanique Celeste

類別： 社會‧文化‧傳記>人物傳記
叢書系列：發現之旅
作者：Jean Pierre Maury
       Jean Pierre Maury
譯者：林成勤
出版社：時報文化
出版日期：1995年03月10日
定價：250 元
售價：198 元(約79折)
開本：32開／平裝／174頁
ISBN：9571315834

【書摘】

▼  書摘

1665年 6 月，由於一場瘟疫席捲英國，劍橋大學關了門，把教師和學生全都打發回家；在這些人中，有一個剛剛畢業，23歲的年輕人：伊薩克．牛頓（Isaac Newton）。他將在家鄉農村的寧靜中度過一年；絕妙的一年，充滿新發現的一年，歷史學家稱為「神奇年」（annus mirabilis）。

第一章　意外的假期

1642年，伽利略去世；那年的聖誕節，伊薩克．牛頓出生。牛頓出生前幾個月，牛頓的父親已經去世了。兩年之後，牛頓的母親再嫁，然後搬到附近的村子，而把小小的伊薩克留給他的祖母撫養。祖孫倆住在沃爾斯索普村（Woolsthorpe）的莊園，這個莊園屬於牛頓家已經有兩百年了。

牛頓14歲時，他的母親再失夫君，她帶著這次婚姻生下的三個孩子，回到沃爾斯累普村。不久，她讓伊薩克退了學，回家來管理莊園。這個年輕人顯得意興闌珊；他沈迷於閱讀，也喜歡機械。他為么妹造了玩具娃娃屋，一個小風車，一個水鐘。他母親看看不行，決定還是送他去上學。

牛頓18歲時，進了劍橋大學的三一學院（Trinity College）。正當學業完成之際，由於瘟疫流行，他就回到故鄉。

在鄉間，牛頓繼續他在劍橋就已開始的研究：光的實驗

從1664年起，牛頓就在他的記事本中記下他的實驗心得、讀書摘記和想法。他常反覆沈思伽利略的《關於兩大世界體系的對話》，也細讀笛卡兒的《幾何原理》，以及克卜勒（Johannes Kepler）的著作。他對光和顏色的現象特別感興趣。

彼時，他早已知道，陽光穿過玻璃三稜鏡，會出現七種顏色。早在1558年，帕爾塔（Giambattista della Porta）在《論折射》一書中，就細細描述過這個實驗。但是，帕爾塔解釋顏色的觀念，還是基於亞里斯多德的想法：光是白色的，顏色是隨白光調變而逐漸產生的。

各種色光中，以紅、黃光調變的程度最低；隨之為綠、藍、紫色，這幾色依序混雜愈來愈多的「暗」。

當白光通過稜鏡，上稜處會變成紅色；底處則變成藍色。很多人以為，這現象是光穿過厚度不同的玻璃所造成的。底處光線穿過的玻璃厚，就成為藍色。他們深信，水滴產生彩虹般的現象，道理和稜鏡分得出色彩是相同的。

牛頓竭力思考光與顏色的道理。他先從笛卡兒的理念出發，然後加以發揮：或許「光的調變是純粹力學上的過程，是因為光穿過玻璃時，速度變慢了。」他並削磨透鏡，琢塑成適當形狀，以防止色調變化。他從光中析解出諸色，這是從來沒有人做過的。

牛頓恍悟其妙：混合諸色之光，即得「白」光

而且，……是稜鏡使得各種色光的折射程度各有不同。幾年以後，在一封信中，他自述這個觀念是如何孕育而出的：「1666年初，我弄到一個玻璃三稜鏡，對素有大名的色彩現象，進行探索。為此，我先把房間弄暗，在窗板「鑽個小孔，讓適量的太陽光進來，並朝著小孔放置三稜鏡。照進來的光線，就會透過稜鏡折射到對面的牆上。乍見鮮麗、美烈之色蘊生，甚感怡然有趣。」

他首先注意到，光點不只是有色的，而且色被拉得很長，穿過稜鏡之後，「藍色部分」偏折出來的色塊，比「紅色部分」被稜鏡偏折得寬一些。原因何在？是由於稜鏡的瑕疵嗎？該如何查知？牛頓便想，試試看，在第一塊稜鏡後面放上另一塊倒過來的稜鏡。依他推測，這偏折應該與稜鏡的質地無關，而應是功率的問題；現在這樣倒放一塊稜鏡之後，功率的偏差會得到補償──果然，光點現在又圓文白；證明稜鏡確實沒有任何瑕疵。

牛頓漸漸進入他稱為「決定性」的實驗：他讓光從窗板上的一個孔進來，然後隔離出由稜鏡產生的光點的藍色部分，再把這藍色光發射到第二塊稜鏡上。可以看到藍光也偏折了，同時，藍光並沒有擴展。

這一次，牛頓果然找到答案了：太陽的「白」光，的確是由各色的光混合而成的，是稜鏡使各色光偏折的角度不同。從這個實驗之後，牛頓反覆做了許多有關光與顏色的實驗，他發現，有好幾種混合各色光的方法，都可以得出「白」光。

說來奇怪，牛頓對這非凡的發現三緘其口

他的緘默是有原因的。牛頓還只不過一個大學生，他心知肚明，一個如此革命性的發現，必然會觸怒教授。五年以後，當他也晉陞為教授，並發明了反射望遠鏡，而得到他的同事的承認之後，他才把昔日的發現公諸於世。

終其一生，他總是在不得不的情況下，才公布自己的發現；若要他主動宣布，那是有違他個性的。牛頓斯關心的，是做實驗和累積證據；其他的事他毫不在意。再說，他生性靦腆又近乎孤僻，怕與人爭執，怕聽討論事物時的爭吵聲，要他像伽利略那樣樂於議論，對他來說是格格不入的作風。

他發現光的混合性，守了五年秘密；若要知道另一個更重要的發現，得耐心等上20年。

這個20年以後才公開附重大發現，堪稱是「神奇年」裡，最最絕妙的成果：引力，萬有引力……。

凝視蘋果和月亮……，發現宇宙萬物的原動力

古往今來，當天才迸出靈感的火花時，經常帶來意想不到的變動和不安。而這個爆發靈感的時刻，往往也被形容得非常離奇。信不信由你，在傳說中，牛頓是這樣領悟出萬有引力概念的：

沃爾斯索普村，怡人的秋夜。牛頓坐在蘋果樹下，一面望著月亮，一面沈思。忽然，一顆蘋果掉落到地上。所有的東西一旦失去支撐，必然會墜落，那麼，月亮呢？它也沒有支撐，它為何並不墜落呢？剎那間，牛頓「看見」答案；月亮也下墜！

月亮要不是一直向前行，消失在無限遠處，就是會落向地球。牛頓進一步推論，月亮確實會下墜，然而由於它的「切向速度」非常大，大到它足以一方面向心下墜，一方面又恰好保持一定的軌道，繞地球運行，而且與地球維持一定的距離。

如果前述的推論成立，月球是繞著地球轉的，那麼，地球和其他行星繞著太陽轉；伽利略最得意的發現──木星諸衛星──繞著木星轉；最近發現的土星衛星泰坦（Titan），繞土星轉……。

太陽系裡眾星運行；秋夜裡，沃爾斯索普小村內一個蘋果墜落於地；這些現象是不是都可追溯到同一個源頭？找到同一種解釋？

牛頓同代人還不能解釋彗星的起由

這時是1665年，大約在一百二十多年前，哥白尼（Nicolas Copernicus）公布了他的宇宙體系學說，認為行星是繞著太陽運轉的。五十年前，克卜勒確立了行星運動的定律。三十年前，伽利略受到教會處罰，只因為他用望遠鏡觀察天象，所獲得的發現，肯定了行星運動的規律……。從教會的觀點來看，伽利略打破了地界和天界之間的阻隔，這是兩千年來不曾有人跨入的禁地，他當然該受罰。

自柏拉圖和亞里斯多德以來，天文學和物理學互不相干，而探求天體運動的自然起因，是一種禁忌。天體的運動是「完美」的，天體也是毫無瑕疵的。

伽利略說，月亮上有山脈，太陽表面有黑點；這麼一來，他就打破了完美。原來月球和地球一樣，都是土質的。既然如此，月球的運動沒有理由和日常生活中的物體運動原因不同。所以，統御月亮與蘋果運動的，是同一條自然律。

這種說法在伽利略的時代是褻瀆神明的。伽利略心中明白得很，自己會招來禍事。但是，幾年之後，伽利略的見解也就不言自明了。笛卡兒從伽利略的見解出發，試圖解釋天體運動的自然原理。笛卡兒和許多同時代的人，都無法贊同「超距作用」的想法。在笛卡兒的想像中，天體問的空隙裡，有一種看不見的「渦動」，它足以帶動所有的行星和衛星，而且讓全部星體朝同一個方向運動。

不過，牛頓深知：假設當時所知的行星和衛星都朝同一個方向轉，仍有些彗星是反方向運動的。如果真有笛卡兒所想的「渦動」，那為什麼彗里不遵守規律？是不是根本沒有渦動這種物質？要不要接受超距作用的說法，相信有一種力量存在，使地球隔著幾十萬公里，居然能吸引月球？

牛頓探尋一種定律；引力如何隨距離而變化？

再說清楚點，與什麼的距離？他又有一項妙悟：蘋果也好，月亮也罷，要計算出它們到地球中心的距離。蘋果距地球中心是6400公里，月亮則離地球中心380000公里。算出蘋果和月亮每秒鐘下墜多少距離，就可以知道引力有多少。就這樣，牛頓找到了他的定律：引力與「距離的平方成反比」。

太陽會吸引各個行星，是否也證實了牛頓這個定律？粗略地說，假如行星的軌道是圓的，是可以這麼說的；但克卜勒認為，行星的軌道是橢圓的。現有的數學仍不足以解答行星軌道這問題。為了獲得更進一步的答案，牛頓顯然必須發展出更新的數學。

牛頓是從球心（地球或太陽）來計算距離的，然而他不想只滿足於假定，而要親自去驗證。另外，他還打算深入探討伽利略所提出的，關於力與運動的理論。他手上還「多得是事呢」。

當然，他不急著發表什麼理論，也不急於向別人高談他那些發現。所有的人都得等上20年，才能得知萬有引力定律。

在這20年當中，歐洲的天文學即將脫胎換骨，勢無可擋矣！