第1章　牛頓的不朽功績——萬有引力定律

時值1697年，在倫敦比較乏味無趣的某城區，一家昏暗的小酒館里，一名男子松松垮垮地披著一件斗篷，蜷縮著躲在角落。一頭花白長發，鼻梁高挺，目光銳利、堅定，滿懷期待地與同伴坐在一張小桌旁，他就是英國皇家鑄幣局的總監，希望探尋到一些偽造貨幣的人。這些造假的人，與形形色色的殺人犯、惡棍一起，經常出沒于這個酒館及周邊地區。

就在前一年，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）被任命為英國國家鑄幣局的總監——年薪300英鎊。當時，貨幣鑄造的工業化尚在進行中，手工壓鑄的貨幣仍在流通，不過，鑄幣廠的生產已經開始有一定規模，用機器熔化、壓鑄金幣和銀幣。由于馬被用作動力來拉動機械，僅清理馬糞每年就要花掉700英鎊。鑄幣局雖然在倫敦塔^[1]里為牛頓提供了住處（見圖1-1），但牛頓不愿挨著煙霧繚繞、又臭又吵的鑄幣廠。所以，他在多姿多彩的倫敦城中心自己找了個住處安頓下來。盡管如此，他卻很少參加城里時髦的娛樂活動，對藝術也毫無興趣。在他眼里，古典雕塑不過是“石頭娃娃”，詩歌就是“精巧的廢話”。在英國歌劇的黃金年代、亨利·普賽爾^[2]（Henry Purcell）的時代，他確實去過歌劇院，但只有一次。他后來回憶道：“我愉快地聽完（歌劇的）第一幕，強忍著聽完第二幕，等到第三幕我就溜了。”

圖1-1　倫敦塔

牛頓可能是在鉆研煉金術的時候，對鑄幣產生了興趣。但他或許沒想到，鑄幣局總監除了監管鑄幣生產，還要負責追查偽造貨幣的不法行為。走馬上任后沒過多久，牛頓就給英國財政部寫信說這個職務“非常煩人又危險”，自己無法再干下去了。財政部對此什么話也沒說，只是堅持讓牛頓履行自己的職責。牛頓別無選擇，只能遵從，他拿出自己在工作中一貫的堅定、專注的態度，全身心地投入工作。

探訪邪惡世界

我們實在難以想象，這位“現代科學之父”為了給偽造貨幣的人問罪、定刑，不惜屈尊跑到賊窩、酒館、客棧，以及臭名昭著的新門（Newgate）監獄去搜集證據。這讓我們想起在神話里常常出現的畫面：英雄進入一個充滿恐怖、邪惡的世界，在經歷過最嚴酷的考驗和最終的死亡之后，歸來的英雄增長了學識和自我認知。吉爾伽美什（Gilgamesh）、忒修斯（Theseus）、赫拉克勒斯（Heracles）、奧德修斯（Odysseus）、埃涅阿斯（Aeneas）等神話英雄都有過這樣的經歷。他們的功績就是他們具有非凡能力的明證，也奠定了他們的不朽地位。而牛頓也早在1687年，在寧靜、文雅的劍橋大學三一學院立下了自己的不朽功勛。那一年，牛頓發表了專著《自然哲學的數學原理》（簡稱《原理》），這本書超越了其他所有締造了現代科學世界的著作。

1661年，18歲的牛頓進入劍橋大學三一學院學習（見圖1-2）。1665年8月，大學由于瘟疫爆發而停課關門，牛頓回到故鄉林肯郡伍爾索普莊園（Woolsthorpe Manor）。在接下來的兩年里，牛頓一直待在家。正是在此期間，他拓展了自己的初始想法，這些想法最終徹底改變了科學及更廣闊的物質世界。大家都知道有這么一個令人難忘的故事：年輕的牛頓在看到蘋果落地后，開始深入思考引力。盡管這個故事聽起來不真實，卻是牛頓親口所說。在去世前的7年里，牛頓與侄女凱瑟琳·巴頓（Catherine Barton）、侄女婿約翰·康杜德（John Conduitt）住在一起，后者也是牛頓在鑄幣局的工作助手。康杜德記錄下了牛頓講的故事：

圖1-2　劍橋大學三一學院內的大廣場

1666年，他再次離開劍橋，搬回林肯郡與母親同住。有一天，他在花園里一邊散步一邊思考，忽然想到讓蘋果從樹上掉下來的那種力不會只局限在離地面有一定高度的地方，而是會延伸到比人們通常認為的要高得多的地方。為什么不可以到月亮那么高？他心想。如果是這樣，引力一定會影響月亮運行，還有可能約束著它，讓它乖乖待在自己的運動軌道上。于是，他動手計算了一下這個效果。

牛頓意識到，如果我們把一個蘋果扔出去，蘋果會因為受到地球的引力，在空中劃出一條弧線，重新落回地面。如果我們從山頂上扔出一個蘋果或發射一枚炮彈呢？炮彈的發射速度越快，它在落地之前在空中飛過的距離就越長。牛頓推斷，只要我們以足夠快的速度發射炮彈，炮彈就會像月亮一樣圍著地球旋轉，永遠也不會落下來。牛頓在《原理》一書中用圖說明了這個想法（見圖1-3）。讓蘋果落地的力與讓行星保持圍繞軌道運動的力，其實是同一種力。雖然現在我們對這個概念已經耳熟能詳，但很難想象在它還不是常識的時候，世界是什么樣的。牛頓帶來的這場科學革命距今不到350年。在那之前，人們壓根不知道，蘋果落地竟會與天體運行存在關聯。

圖1-3　在《原理》第3卷“論宇宙的系統”里，第6頁的插圖展示了牛頓的推理過程

科學革命

牛頓的科學貢獻不僅是做類比、進行有力的論證，他還建立了一套完整的力學體系，用來計算物質世界的運轉。牛頓的理論后來得到了廣泛應用，成為認識宇宙這項科學事業的根基。在長達200多年的時間里，它一直在科學研究領域占據著統治地位（見圖1-4）。

圖1-4　土星的美麗光環全靠引力維系著，才不至于消散

直到20世紀初，人們才發現有必要修正牛頓的理論。現在，我們已經知道，在分析微觀物理問題時需要使用量子理論，在處理接近光速的高速運動問題時需要狹義相對論，而在研究大質量物體的引力效果時需要廣義相對論。

扭曲時空

1915年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了一個全新的引力理論——廣義相對論，這個理論比牛頓的引力理論還要出色。在分析大質量物體的引力作用時，愛因斯坦拋棄了牛頓的引力理論，提出大質量物體會扭曲周圍的時空。若有其他物體（包括光）從旁邊經過，受時空扭曲的影響，它們就會轉向改道。雖然這個理論聽上去與牛頓的理論截然不同，但在預測小質量物體的引力作用時，二者幾無差異。

在強引力環境中，愛因斯坦做出了十分離奇的預言。廣義相對論指出，大質量物體能夠讓光的傳播路徑發生偏折。像巨橢圓星系這樣的龐然大物，劇烈扭曲著周圍的時空，好似一面巨大的透鏡。圖1-5展示了一個真實的引力透鏡現象：遙遠星系的影像被一個巨橢圓星系扭曲成了一個環。愛因斯坦還預測宇宙中有黑洞，黑洞的引力極其強大，連光都無法從中脫身。此外，廣義相對論還提示我們，像黑洞相撞、并合這樣的暴烈事件，能激起時空的漣漪——引力波。所有這些驚人的預言如今都得到了證實。

圖1-5　科學家從斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）觀測的數據中，發現了引力透鏡LGR 3-757。位于光環中心的彌漫狀球體是一個巨橢圓星系，光環本身是遠處一個星系的扭曲像。這個星系發出的光在經過橢圓星系時，路徑會發生偏折

牛頓的引力理論非常不錯，適用于幾乎所有的情況。在地球附近，牛頓力學的引力與廣義相對論的引力只存在極小的差異，在日常生活中，我們完全可以忽略不計。因此，若我告訴你，我們日常應用的技術為力求精確，也需要廣義相對論的輔助，你聽了一定十分驚訝。給衛星導航的全球定位系統（GPS）就需要考慮引力產生的時間扭曲，如果對其置之不理，用不了幾分鐘GPS就會出問題。

牛頓爵士

牛頓成功地打擊了偽造貨幣的犯罪行為，一共提起28件訴訟案。1699年，他晉升為英國皇家鑄幣局局長。6年后，安妮女王授予他爵士稱號，以表彰他在皇家鑄幣局的出色工作（而非科學貢獻）。2017年，為紀念牛頓誕辰375周年，皇家鑄幣局發行了一枚面值50便士的紀念幣（見圖1-6）。

圖1-6　面值50便士的牛頓紀念幣

在問鼎“有史以來最偉大的物理學家”稱號時，牛頓只遇到一個對手。然而，還有許多知識是牛頓永遠也無法知道的。等你讀完本書，你會比牛頓更加博學，你甚至知道金子在哪里又是如何形成的。

[1] 當時，皇家鑄幣局就設在倫敦塔里。——譯者注

[2] 亨利·普賽爾，17世紀杰出的英國作曲家。——譯者注