牛顿的苹果 | ③胡克与牛顿的争论
来源：光明网2019-11-13 18:35
大家好，我是国家天文台的陈学雷，今天继续和大家讲述牛顿苹果的故事。 在上一期我们介绍到牛顿完成了他的《自然哲学的数学原理》一书，实际上在1686年牛顿完成书之前，写第一卷时，哈雷在又一次的皇家学会的会议上对牛顿的研究进展做了介绍。这时胡克站出来指责牛顿剽窃了他的思想。 胡克当时在皇家协会是一位很有地位的科学家，胡克声称万有引力与距离平方成反比的想法是他首先提出的。哈雷将这一情况告知了牛顿，这激怒了牛顿，牛顿一度声称他打算中断写作并撤回正在撰写的第三卷，在哈雷的劝说下他才最终完成了著作。 胡克为何声称牛顿剽窃了他的思想呢？这缘于1679-1680年间胡克与牛顿之间的一次通信。 先回顾一下两人在此之前交往的历史。1671年，牛顿还是默默无名，但因发明反射式望远镜而被皇家学会接纳为会员。1672年，他给学会寄去了一篇他的光学论文，其中给出了用三棱镜将白光分解的著名实验，并提出了他的颜色理论和光的粒子假说。 在当时，比牛顿名气大很多的胡克，他主张的是光是一种波，也没有仔细阅读和理解牛顿的论文，就很草率地写了一篇批评牛顿光学理论的文章，这件事儿令牛顿十分生气。因此牛顿花了很多时间写出了一篇反驳胡克的文章，由学会秘书奥登堡(Oldenburg)于1676年1月在皇家学会会议上公开宣读。牛顿的反驳是非常有道理的，把胡克的一些话驳倒了。 由于奥登堡本来就与胡克关系不佳，胡克认为这是奥登堡故意挑拨二人的关系，因此他直接给牛顿写信，表达了和解的愿望。胡克的信写的很客气，牛顿在回信中也冠冕堂皇地说了一番学术至上、欢迎指正等等的客套话。 牛顿经常被人引用的“假如我看得比别人远一些，是因为我站在巨人的肩上”其实就出现在这封回信中，这句话也不是牛顿的原创，是十二世纪哲学家查特斯(Bernard Chartres)的名言。这封信是不是像有的人猜想的那样，是牛顿对胡克的嘲讽？因为胡克是比较矮，比较驼背的。实际上这种猜测还是不太可能的。因为首先两人写信是在万有引力发现权进行争论之前、也是双方正想和好之时，不大可能如某些人猜测的那样是对胡克的嘲讽。 而且实际上这段话的完整引用是这样的：“（在光学上）笛卡尔迈出了很好的一步，你（胡克）又在几个方面增补良多，特别是把薄膜颜色引入了哲学讨论。假如我看得比别人远一些，是因为我站在巨人的肩上。”这句话的意思是说在光学上，笛卡尔首先做出了一个很好的讨论，胡克又增加了很多新的内容，这明显是恭维胡克，希望抛开两人之前的学术观点之争而实现和解。 这份信之后，两人的关系得到了一定的改善。后来又到了1679年，这时奥登堡已死，胡克当上了皇家学会秘书。他借着皇家学会秘书的工作职责包括了解会员的研究和意见，胡克主动给牛顿写了信，在信中列出了题材广泛的许多学术问题，来征求牛顿的意见。其中比较特别的是有一个对胡克自己的《证明地球运动的尝试》书中，关于行星运动是受一个随到太阳距离增大而减小的吸引力影响的学说的意见。这个学说就很类似后来万有引力的观点，所以我们说胡克确实也在这方面有所建树。 牛顿在给胡克的回信中并没有一一答复胡克的问题，而是说自己很忙，没时间考虑哲学问题。牛顿性格不愿与人交往，在给人写信时经常说自己很忙，而且他是个很敏感的人，为了自己的面子也常故意表现得对很多问题没兴趣。按照牛顿后来的说法，他自己也觉得这样回复胡克未免有点简慢，因此他在信中又增加了一点内容。 牛顿说既然胡克的著作《证明地球运动的尝试》，这本书的主题是证明地球绕太阳公转，并提出可以通过观测恒星一年中的视差变化来证明这个主题，后来的天文学家也确实是用这种方法进行证明的。于是牛顿就提出了一个证明地球自转的实验。 在哥白尼地球运动学说刚提出的时候，人们的一个质疑是，如果地球是自西向东自转的，那么人跳起来后为什么还会落在原地，而不是落在起跳点的西面？当然，正如伽利略曾指出的，答案是人和地球是一起运动的。不过牛顿指出，如果从高处释放一个物体使其自由下落，由于高处转动的线速度实际上比低处要快，因此它其实会落在偏东一点的位置上，这可以作为地球自转的实验证明。 虽然这个实验实际上不容易做，但理论上没有问题。不过，牛顿在讨论这个理论的时候，不知出于什么原因，随手画了一个假定地球不存在、物体穿过地面继续下落的图，好像地面不存在一样，其轨迹沿着一个螺旋线直到地球中心（图1），这是一个严重失误，立刻被胡克抓住了。
图1：牛顿信中给出的螺旋线 胡克回信提出落体应该类似行星，轨迹应该是一个椭圆（图2）。这也说明胡克当时对行星的运动有一个很好的理解。牛顿在第二封回信中承认轨迹确实不应该是螺旋，不过他指出在力是一个常数的情况下，形成的图形应该有很多瓣，不断旋转的线，类似图3。
图2：胡克提出的椭圆线
图3：牛顿讨论的常力作用下的运动轨迹 胡克又回信说还是不对，他假定力应该反比于到中心距离的平方。这次牛顿没有再给胡克回信。所以后来胡克看到牛顿写了《原理》后，就指责牛顿剽窃，说牛顿引力的平方反比关系来自他自己，其依据就是这次通信。 胡克与牛顿的这次通信发生在1679-1680年。显然，如果按苹果故事的说法，牛顿早在1666年就开始考虑引力并发现其与距离平方成反比，那么这就与胡克无关了。当然，也正是因为如此，有些人怀疑这个故事是牛顿为了证明自己的优先权而编造的。那到底是怎么样的呢？我们下一期继续聊。 主讲人简介 陈学雷， 中国科学院国家天文台研究员，主要从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究。
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