《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第17节

作者: 一朵熊ss
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  然而,中学尚未结束,母亲却变卦不再支持他读书,十七岁的牛顿被召唤回伍尔索普庄园干农活。身在农场的他并不快乐,当时的教会要求每个子民每天得如实记录自己的“罪恶”,牛顿写到:在家中,他曾“推打妹妹”、“对母亲发火”、“与许多人打架”……这个生下来就没有父亲又常年得不到母亲的关爱的孩子,性格中日益流露出一种暴虐气息。但幸运的是,牛顿在学习过程中所展露的天分给校长留下了深刻印象,他专程跑到伍尔索普庄园劝说汉娜,只要肯让牛顿继续上学,学校愿意免收一切费用并让孩子直接住到自己家里。牛顿这才得以返回中学,完成学业。其实汉娜并不缺钱,她从两任丈夫那里分别继承了一笔资产,还独自经营着一座庄园,从史料上看,家里雇佣着好几个仆人,可见物质条件是十分丰足的。可牛顿甚至要靠领取补助金才能跨进剑桥的大门,而入校后,更需依靠帮助有钱人家的贵公子跑腿买酒食、倒便壶赚取微薄的零花钱度日,足见汉娜要么是个目光短浅的守财奴,要么根本从没关心过自己这位长子。

  窘迫的成长记忆凝成牛顿心头挥之不去的阴云,即使中年之后早已功成名就,他依旧时常兀自徘徊在精神崩溃的边缘:因为最初对光学行为的不同解读,他与罗伯特·胡克(Robert Hooke)恶言相讥,并在胡克去世后仍耿耿于怀,利用手中的权杖在幕后操控着学界妄图将这位显微镜之父功业一笔抹去;由于对反驳之声的极端恐惧,他宁愿按下自己的研究成果迟迟不予发表;后又为同戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)争夺微积分的优先发现权而不惜使出各种卑劣手段;以铁腕牢牢掌控英国皇家学会数十载……种种行为,或许正是源于内心深处,牛顿永远把自己看做当初那个缺乏爱与认同的孩子。

  日期:2014-11-02 18:28:37
  当然这些都是后话了,现在,让我们乘坐时光机回到鼠疫肆虐的公元1665-1666年——艾萨克?牛顿一生中最快乐的时光——跟随这个科学天分与怪诞脾性具初露端倪的年轻小伙来进行一场空前跌宕的思维冲浪吧。

  首先,由伽利略惯性定律可知:改变物体运动状态的唯一方式就是施加外力。如果物体运动速率骤然加快,那就说明在它运动的同一方向存在一个力;反之,如果速率减慢,则存在一个与运动方向相反的作用力。此外,牛顿意识到还有一种可能:如果出现一个与运动方向既不完全一致、也不完全相反的外力,它与原先的直线轨迹有一个倾斜的交角,那么物体不但速率而且运动方向都将受到影响。凭借对惯性定律的这一独到诠释,将其推演至星空,牛顿领悟到:假若没有外力在一旁推动,行星只能沿直线奔跑,即便偶然获得机会靠近太阳也只能遗憾地与之擦肩而过,从此终老不再相见,根本不可能围绕太阳一圈又一圈地运行。要形成已知的椭圆轨迹,就必须始终有一个垂直于行星运动方向的外力在鞭策着它——把直线扭弯——一个指向太阳的无比强大的拉力!由此,牛顿做出了更大胆的猜测:太阳本身就是这个永恒之力的源泉。

  为了审核这一观点,让我们把目光暂且从浩瀚的太阳系收回,望向地球最为忠实的伴侣:月球。月球为什么要绕着地球运行,难道它也感受到一个指向地球的外力?从多年积累的数据,我们不难确证:月亮环绕地球的运行模式恰与行星环绕太阳有着惊人的相似。
  如图a,月球沿水平的初速度v0向前奔去,如若与此同时,它接收到来自地球的召唤——一股与其运动方向相互垂直、直指地心的强大吸引力。那么,在这一作用力的压迫下,月球将不得不调整原先的运动趋势,朝着地球表面靠近一些、再靠近一些……也就是说,在外力的作用下,月球每走一步便与地球更亲昵了一层,那它为什么始终没有落到地球表面呢?
  秘密就藏在图b当中,把镜头拉至外太空,当画面覆盖足够宽广的区域,你将发现:地球表面正以更快的速率避开月球的亲吻!这个使得的地表得以顺利摆脱月球追逐的法宝叫做“表面曲率”,曲率越大,物体的表层弯曲得就越猛烈。这场你追我逃的竞技,终会在一种微妙的状态下找到平衡,那就是:月球围绕地球形成一条完全闭合的椭圆,周而复始地旋转。
  现在,让我们把目光再收近一点,近到……立在你身边的苹果树。相对于整个地球,在极小的一块土地上,其表面的弯曲度可以忽略不计,也即:曲率为零——地面复原回平面。此时,如若有苹果忽然脱离枝干,由于不具备任何初速度,在地心引力的作用下,它只能义无反顾地奔向大地。而地面呢,则由于曲率为零,再没办法依靠弯曲来逃逸,只得张开怀抱迎接苹果的到来。最后,“砰”地一声,苹果与大地相撞,惊醒了沉思中的牛顿……

  日期:2014-11-03 20:01:49
  月亮与苹果,它们都身不由己地落向地球,其行为之间一定存在着某种联系,那便是各例中假想的直指地心的吸引力。作为一个对事物的普遍性具有超凡感悟力的人,紧接着,牛顿将他凌厉的目光透过苹果树延伸到天边的日月星辰,难道指向地球的吸引力与指向太阳的吸引力背后也有着同样的成因?那么地球与太阳二者有什么共同特征呢?它们都很庞大,都拥有难以估量的质量——没错,也许它就是引力之源。于是,牛顿进一步假定:如果质量确实是上述所有作用力的幕后操纵者,这样一来,不但太阳、地球、月亮……小到一个苹果、一粒尘埃……但凡拥有质量者,都能散发出属于自己的吸引力!

  从一粒沙中窥见世界,
  在一朵花里寻觅天堂。
  掌中盛无限,
  瞬间即永恒。

  科学顽童理查德?费曼(Richard Feynman)在谈到宇宙的设计原则时曾感慨:“大自然使用了最长的丝线来编织她的花样,使得织物上每一片段都体现着整块锦缎的组织原则。”而艾萨克?牛顿正是那循着一根丝线的踪迹勾画出锦缎一隅的美丽图案的第一人,他独自伫立在时空之母的亿万子民之一——小小的幽蓝色星球——之上,却奇迹般地推演出足以囊括大千世界的运行规则,真可谓于沙粒中见乾坤!

  至此,源自质量的吸引力,这一无影无形却能主宰万物的幽灵终于在牛顿深邃的洞察力下露出了庐山真面目。原来,遥不可及的星辰与近在咫尺的苹果莫非受制于同一种作用力,牛顿把那伟大的魔力命名为“万有引力”
  有了定性的分析,如何才能通过定量计算进一步证实自己的猜想呢?前辈留下的研究成果再次启发了牛顿,由开普勒行星三定律,他一半依靠推演一半凭借直觉“猜”出了以下关系式
  这便是名垂青史的“万有引力公式”:俩物体间的吸引力F,正比于各自的质量m1与m2之积,而与它们之间距离r的平方成反比。这就产生了一个新的问题:牛顿最初总结引力公式时,是以群星为样本,在浩瀚的宇宙中,星与星之间的距离r是如此巨大;因此,每个质量源m都可以简化为数学上的一个点,而丝毫不影响计算结果。可是,当我们想要求算地面上一苹果所受的吸引力时,茫茫时空中的一个小点瞬间便膨胀成一颗硕大无比的球体,地球上的每座大山、每块平原、每条江河……每一寸土地都向苹果伸出了引力之手,此时,公式中的r值——苹果与地球之间的距离——究竟应该取苹果到地面的距离呢(即:一颗果树的高度)?还是苹果到地心之间的距离(即:果树高度+地球半径)?还是苹果到地表另一端的距离(即:果树高度+地球直径)?
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