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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

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  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!

 
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