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【启蒙时期 30】牛顿发明了万有引力还是发现了万有引力?

 襄子的箱子 2022-11-05 发布于上海
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每一个历史的转身

都在风中徘徊了很久、很久

这是【西方大通史】第 351 篇文章

启蒙时期】第 30 篇文章

最后说一点关于万有引力的事,绝大部分人在离开高中之后,就不再接触物理,因此对于物理的理解,也就停留在了经典物理学。在现实生活中,牛顿的经典物理学是够用了,但是到了微观和宏观,牛顿的力学渐渐失去了解释力。

如果我们将牛顿的力学作为一个坐标的原点,那么在它左边,微观上,是量子力学的世界,在它右边,宏观上,是相对论的世界。我们都知道相对论的奠基人是爱因斯坦(且只有他一位),可以这么说,牛顿只是爱因斯坦的一个特殊解。

在解释这个世界,这个宇宙,以及行星的运动轨迹上面,牛顿只是提供了一种视角,这种视角在日常生活中都是成立的,观测的数值与用牛顿力学算出来的一样。但是,爱因斯坦也是就这问题提供了另一种视角,这个视角更为广阔,能够解释牛顿在大尺度下解释不了的问题。因此,一个问题来了,牛顿究竟是发现了万有引力还是发明了万有引力?
答案显而易见,是发明
我们认为万有引力是客观存在的,其实它不过是解释天体运行的一个模型,一个人为创造出来的概念。牛顿在提出引力后,认为引力是一种力,但是引力的介质是什么,他却无法解释,只能提出万能的“以太”来解释引力的传播,在上世纪的时候,以太就已经被科学家们所抛弃,爱因斯坦在广义相对论中提出,引力并非是一种力。
传统对于万有引力的解释是,任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力,是自然界中最普遍的力;而量子力学对引力的解释是,引力是由于两个粒子交换引力子所导致的,而关于什么是引力子,目前也只是一种猜测或假说。
因此,就“引力”这个词来说,都是人们主观定义的。
最后,简单介绍一下牛顿在数学上的贡献。
牛顿不仅是一名伟大的物理学家,他还是一名早熟的数学家。
牛顿在数学上的贡献除了“二项式定理”之外,最被人津津乐道的就是微积分的发明了。简单来讲,微积分是微分与积分的集合,而且这两者之间是互逆的。微分主要研究变化率的,而变化率也可以称为导数,有一阶导数、二阶导数、三阶导数等等。比如,物理学中最常见的变化率就是速度与加速度,而速度是位移相对于时间的变化率,加速度又是速度相对于时间的变化率,这种有关变化率的变化率就是二阶导数。当然,在一般意义上的数学,能够会求二阶导数就够了。而积分可分为定积分与不定积分,定积分就是求一条曲线与x轴所夹的具体面积,不定积分则是求该面积满足的方程式。
微积分最重要的三个概念就是变量、函数和极限。对于后者,在很长的一段时间里都是模糊的,关于这点,其实还有一个有趣的故事,这件事引发了数学史上的第二次危机,差点就摧毁了整个微积分建构起来的数学大厦。
我们知道,微积分是以导数(变化率)为基础的,无穷小又是导数的逻辑前提和基础。当时,牛顿并没有给无穷小给出清晰的定义,这个漏洞被当时的一个主教贝克莱发现了,于是提出了质疑。在中学的时候,我们老师曾有一次谈到了这次争论,由于那时候牛顿代表正确与进步,所以站在他对立面的贝克莱就代表愚昧与落后,而且他还是一个主教,更是让我们这些学生觉得他就是人类史上的“败类”,阻碍人类进步发展的“封建欲孽”。
其实,贝克莱不简单,他是英国三大经验主义哲学家之一,而且,他提出来的质疑,是有理有据的,完全不是为了反对而反对,至少,他是懂微积分的,他是看过牛顿著作的。
关于无穷小,比如我们计算一辆车子的速度,平均速度很好计算,开过的路程除以时间就是答案,但是瞬时速度呢?我们就要去求无限小时间内的平均速度,约等于瞬时速度。问题来了,这个无穷小的时间可以为零吗?
贝克莱就发现了其中的猫腻,因为牛顿曾给出过三种不同的解释,1669年说它是一种常量;1671年又说它是一个趋于零的变量;1676年它被“两个正在消逝的量的最终比”所代替。于是,贝克莱问牛顿,这个无穷小可以是零吗?如果是,它又怎么作为分母呢?要知道,从最基础的数学来讲,分母是不能为零的;如果不是,那这个瞬时速度还是平均速度吗?约等于不等同于等于啊。
对于贝克莱的质疑,实际上连牛顿也不知道该如何是好,莱布尼茨也对此束手无策,这就引发了数学史上的第二次危机,简而言之就是“一个无穷小带来的危机”。这场危机,历经好几代人的努力,最终,是柯西在1821年的《代数分析教程》中给解决了,他从定义变量出发,认识到函数不一定要有解析表达式;他抓住了极限的概念,指出无穷小量和无穷大量都不是固定的量而是变量,无穷小量是以零为极限的变量。
这场危机在人类的共同努力下,被化解了。但是,数学史上的第三次危机也快来了,别急。
中年的时候,牛顿生了一场大病,后来痊愈了,康复后的一年,即1693年,牛顿听说欧洲大陆上已经传播了微积分的思想,并且人们普遍认为这是由莱布尼茨发明的。
一开始,牛顿和莱布尼茨之间还保持着绅士的态度,牛顿承认莱布尼茨的功绩,莱布尼茨也承认牛顿的功绩,在他们交往的这个和平的阶段,两个人都从未怀疑过对方会从自己这里偷去关于微积分的哪怕一丁点儿的想法。
但是随着人们的传播,在爱国主义和民族主义的加持下,一场“谁发明了微积分”的口头官司愈演愈烈。两边的支持者都互相谩骂对方是无耻的偷窃者。慢慢的,英国人争功好胜的天性开始表现出来,牛顿默许了这种可耻的攻击,相应的,莱布尼茨和他的支持者们也这么干。
欧洲大陆与英伦三岛在数学上产生了分歧,以至于英国开始了长达近一个世纪的“闭关锁国”,自牛顿之后的一个世纪中,英国再也没有出现过一位杰出的数学家,而反观欧洲大陆,数学家像雨后春笋般一个接一个地冒出:高斯、拉格朗日、拉普拉斯、黎曼……
直到19世纪,英国才又迎来了数学上的光辉岁月,哈密顿、布尔、哈代、罗素……
所以说,闭关锁国要不得,对于国如此,人亦如此。
一个人,千万不能陷入自己的逻辑怪圈之中。
“我不知道世人怎样看我;可我自己认为,我好像只是一个在海边玩耍的孩子,不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣,而展现在我面前的是完全未被探明的真理之海。”(牛顿)


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