在吉尔伯特《论磁》问世的1600年,修士和诗人布鲁诺(Giordano Bruno)在罗马的鲜花广场被以火刑处死。1他曾激情澎湃地鼓吹浩瀚宇宙里存在有无数个太阳系。地球和人类并不唯一或特别,非由上帝创造、眷顾。罗马的宗教裁判所为他罗列多项“异端”(heresy)罪名,其中包括宣扬哥白尼的日心说。
吉尔伯特也是日心说的早期拥护者,在不受罗马教会管辖的英国平安无事。他在《论磁》里举一反三。猜测星体与地球一样都是巨大的磁石。
那年,36岁的伽利略正在帕多瓦享受人生最美好的时光2,与同居情妇迎来第一个女儿。他在好朋友萨尔皮那里读到《论磁》后四处搜集磁石,与萨格雷多一起研究这个奇特的超距作用。伽利略那时还没有望远镜,尚未开始仰望星空。他不知道十多年后,自己会因观察到支持日心说的实际证据蒙受罗马宗教裁判所的惩罚。
最终总结出行星绕太阳运动三大定律、为日心说奠定精确数学规律的开普勒身处罗马统治之外的德国,享有相对自由的环境。他的困难在于解释太阳系的新构造。在亚里士多德和托勒密的地心说里,太阳和行星镶嵌在大小不一的圆球上绕地球转动。这个模型在托勒密后来的诸多修正下复杂得不可思议,也还算是有根有据。哥白尼也只是将太阳和地球换个位置,没有改变模型的物理构成。而在开普勒的新世界中,圆形的轨道被改成椭圆,不可能再是镶嵌在“实体”圆球上的情形。地球和行星在没有依托的虚空中如何能沿着椭圆绕太阳运行而不偏离脱轨?开普勒只好在《论磁》里找到根据:太阳和行星之间的磁力让它们不离不弃,地久天长地维持轨道运动。当然他也无法解释其中的具体机制。
伽利略不相信磁力作用能远及宇宙空间。他在实验中观察到运动的惯性,认为行星的轨道运动可以在没有外力干预下永恒持续。可是他知道惯性只能导致简单的直线或圆周运动,没法与不规则的椭圆沾边。伽利略只好拒绝开普勒的椭圆,与古希腊哲人殊途同归地断定天体轨道必定是完美的圆周。
半个多世纪后的1684年1月14日傍晚,雷恩、虎克和哈雷在王家学会开会后步入一间咖啡屋。那是十七世纪伦敦的新时尚,也是虎克的钟爱。他与雷恩精诚合作多年,哈雷也已由小跟班升格为同行好友。啜饮闲聊之际,他们的话题转向行星的运动。
开普勒的定律已经圆满地经受时间考验,地球和行星的椭圆轨道无可争议。但对它们如此运动的缘由依然莫衷一是。笛卡尔以演绎推理指出宇宙中的以太在太阳周围形成一个巨大的涡旋,地球和行星是其中被推动着的“浮萍”。这个直观图像无需超距作用,也切合实际:行星和地球大致都在同一个平面上向同一方向转动,宛如处在水面的漩涡。美中不足的是天空中偶尔出现彗星。它们因诡异的形状被俗称为“扫帚星”,也被看作灾难来临的预兆。伽利略与亚里士多德一致地认定这类不速之客仅是地球大气层中有可燃气体在作怪,3不足为奇。第谷和开普勒的观测却表明彗星的位置远高于月亮,确为天外之物。他们还测定彗星走的基本上是直线,让笛卡尔无从解释。
当一颗彗星在1664年现身时,虎克刚刚担任王家学会的实验员不久。他被指派协助雷恩跟踪观测。人们那时已经知道彗星的轨迹并非直线。然而它们的步调不与行星一致,也不总在那同一个平面之内。个别彗星甚至背道而驰,显然不是在笛卡尔的涡旋中随波逐流。虎克观测后看出那颗彗星的轨迹似曾相似,猜测它是1618年一颗彗星的回访。那样的话,彗星与行星一样有着周期性的循环轨道,却非笛卡尔的涡旋所致。
惠更斯也在几年前指出伽利略的失误:圆周运动不是没有外力作用的惯性使然。开普勒的行星轨道虽然是椭圆,与标准的圆形其实相差不大。如果近似为圆,开普勒的第三定律表明行星运动的周期与轨道半径有一个简单关系。惠更斯从中推断出行星受到一个大小与半径平方成反比的力。因为转圈的物体有着背离圆心飞出去的倾向,惠更斯将这个隐藏着的力叫做“离心力”(centrifugal force)。虎克察觉惠更斯也是忙中出错:维系圆周运动的力指向圆心,与惠更斯说的方向正相反。虎克认为那应该是太阳对行星的吸引力,大小与距离平方成反比。
那年的彗星果然带来灾难。伦敦大瘟疫和大火接踵而至,无情地中断虎克的思路。他与雷恩投身城市重建,无暇再顾及天上星星和人间时钟等众多创意。直到十多年后,彗星又在1680年代初接二连三露面,引起他们在咖啡屋里旧话重提。
惠更斯那个大小与距离平方成反比的力已经广为人知,却只适用于简单“完美”的圆周运动。雷恩再度问起那样的力是否也是椭圆轨道的原因。精通数学的哈雷承认他还没找出答案。虎克却自得地表示他已经有了证明。了解老搭档的雷恩不为所动,许诺谁能在两个月内拿出证明就可以从他手里赢得一本价值四十先令的书。
大半年过去后,虎克果然未能兑现。哈雷更为悲惨。咖啡屋交谈的一个多月后,他慈爱的父亲离奇失踪,被找到时已无生息。4哈雷不得不放下一切,东奔西走接管、处理庞大的家业。八月,他路过剑桥时一时兴起,顺道去拜访隐居中的牛顿。言谈间,哈雷好奇地咨询:假如太阳具备随距离平方成反比的吸引力,行星都会有什么样的轨道?年轻的卢卡斯数学教授不假思索地答曰:椭圆。
哈雷未曾料到自己的心血来潮竟会改写历史。
在咖啡屋交谈时,雷恩、虎克和哈雷都没有提及牛顿。在“光的新理论”争议之后,牛顿自我放逐在剑桥离群索居,淡出学界。就连虎克也没想起他们几年前有过的切磋。
1664年的彗星来临时,牛顿还是剑桥寂寂无名的学生。他独自观测彗星走向,思考行星的轨道。笛卡尔的以太涡旋不足为信。牛顿也钻研起与行星轨迹非常接近的圆周运动。他将圆拆解为多边形。物体沿直边走时是惯性,但在拐角处转弯时必须有外力帮忙。当多边形的边和角逐渐增多至逼近圆形时,物体时时刻刻都在受到这个力的作用。力的大小恰与半径的平方成反比。他还无法理解个中含义,一如既往地将心得写在秘不示人的笔记本里。
紧跟彗星而来的灾难迫使牛顿回到中部乡村的自家农庄。某日,他在花园里静坐沉思时看到一只苹果从树上落下,随即领悟苹果之所以会落下而不是飞起,是因为地球在吸引着它。由近及远,他想到地球也同样地在吸引着月球。同理,苹果和月球也在吸引着地球。所有的物体都在吸引着其它所有的物体,也都在被它们吸引着……此乃“万有引力”(universal gravitation)。
那是很多年后,八十多岁高龄牛顿回首往事时的讲述。没有人知道这个晚年记忆有多少真实成分,但“牛顿的苹果”在后人添油加醋下变幻为恰恰砸在他脑袋上的醍醐灌顶,造就与伽利略比萨斜塔媲美的又一桩科学史美丽传奇。躲避瘟疫的时光也被渲染为牛顿的“奇迹年”(annus mirabilis),因为他在那期间一举完成微积分、光学、动力学和引力理论,缔造自吉尔伯特、伽利略以来科学革命最为辉煌的成就。
其实,牛顿在那两年里还在黑暗中摸索。他受惠更斯的影响将圆周运动中的力认作离心力,方向与物体的互相吸引相反。直到十多年后,牛顿在1679年11月24日收到虎克一封来信。
那是牛顿写给虎克“站在巨人肩膀上”信的四年之后。他们因为光学理论的分歧有过几年频繁信件往来,关系每况愈下。牛顿在众多质疑中不胜其烦,以至于威胁退出王家学会逃隐。在那个1679年底,虎克已经继任学会的秘书职务,以官员和长者的身份再度致信牛顿安抚,鼓励后者重回伦敦的学者圈子。他在信里介绍自己在行星轨道运动中的思考,希望能听到牛顿的意见。牛顿回信冷漠,声言对虎克已发表的想法一无所知,也没兴趣。在他信中一个错误被虎克指出并公开后,两人不欢而散。
尽管牛顿装作若无其事,他已被虎克信里提到的对惠更斯离心力更正触动心弦。圆周运动中的力指向圆心,正好与物体互相吸引的力契合。于是,当年在家乡花园中看到苹果下落时的思想火花适时复燃。及至哈雷在1684年不请自来时,牛顿已然成竹在胸。可是面对哈雷急不可耐的请求,他也一时翻找不出自己的证明。
虎克曾经以为圆周运动与椭圆运动不过一步之遥,因此先后在给牛顿的信里和雷恩、哈雷面前夸下海口。牛顿却在大学里已做过尝试而深知困难所在,也没有在回信中提醒前辈。但在1680年代初,牛顿笔记本里的微积分方法日益成熟,可以像用多边形极限逼近圆形类似地应用于椭圆。正是这个新发明的数学工具让他完成从圆到椭圆的飞跃——从惠更斯到虎克、哈雷等数学大师未能完成的任务。
三个月后,哈雷如期收到一篇题为《论物体的轨道运动》5的文稿。牛顿在文中不仅严格证明与距离平方成反比的力会导致椭圆轨道,还捎带证明论题的反之亦然:椭圆的轨道运动中必定有与距离平方成反比的力。由此出发,他完整地推导出开普勒的定律,一举揭示那些定量法则之背后根源。牛顿还特意模仿惠更斯的“离心力”名称生造出一个与之针锋相对的“向心力”(centripetal force)。这个指向中心、与距离平方成反比的力正是太阳对地球的引力,迫使地球沿椭圆轨道运行。
在震惊和欣喜之余,哈雷敏锐地判断手里的九页纸还只是冰山一角。一个远为博大精深的理论——那样的引力又是如何迫使地球如此运动——正呼之欲出。他迅即赶赴剑桥,当面恳求牛顿再接再厉。同时,哈雷在伦敦及时向王家学会汇报,确立牛顿的优先权,并预告更为激动人心的突破即将到来。
那之后又是两年多的等待。
哈雷也没意识到他见到的牛顿并不真是远离尘嚣的隐士,也不需要更多的激励。虎克的来信和彗星的来临早已重新激发出牛顿的好奇心和专注力,不惜丢下心爱的神学和炼金术。他已经在与格林威治的王家天文学家弗拉姆斯蒂德通信,求证土星、木星的卫星运动轨迹。哈雷的持续来访更是推波助澜。牛顿迅速恢复大学期间养成的废寝忘食习惯全力以赴。即便如是,他也需要两年时间才理清头绪。
终于,《论物体的轨道运动》脱胎换骨,蜕变更为宏大的《自然哲学的数学原理》6,涵盖今人熟知的牛顿动力学三定律和万有引力定律。无论是地面上苹果的落地或炮弹的飞行,还是天边月亮绕地球、地球绕太阳的运动,以及远在天外木星和土星各自卫星绕它们的转动和出没无常的彗星,都同样地遵循着这些普适的物理定律。
哈雷也没闲着。他上任书记员时,王家学会刚刚度过第25个年头。老一辈创始人渐次凋零,新生代兴致索然。学会很难从会员手里收取到会费,开会时门庭冷落。因为“王家”只是一个虚名,这个民间组织濒临破产,难以为继。哈雷当仁不让,决意以一己之力促成牛顿这部巨著的出版。他不仅自掏腰包、寻找印刷商,还亲自设计、排版、以木刻方式制作书中的大量插图,让它们与相应文字出现在同一书页方便读者阅读、领会。而最艰巨的任务却还是保证牛顿能够心无旁骛,按期提供书稿。
王家学会秘书虎克听取哈雷的汇报后很不高兴。他认为那个“向心力”及其随距离平方成反比的规律均为自己首创,不属于牛顿。哈雷只好给牛顿写信通报,委婉建议牛顿在前言里向虎克致谢。牛顿还记得虎克1679年的那次来信,回信表示没有异议。
不料三个星期后,牛顿又给哈雷寄来一封长信,口气大变。其间他又收到虎克来信,要求牛顿在书中直接承认自己的优先权。牛顿终被激怒,在致哈雷的信中详细列举大量旁证显示他在虎克那封信之前早考虑过与距离平方成反比引力的想法,还曾在1677年与雷恩讨论过。在痛斥虎克胡搅蛮缠之余,牛顿干脆将校对文稿中提及虎克之处尽数删除。只在一个无法回避之处将原文“非常杰出的虎克”改为“虎克”。最后,牛顿宣布他将扣下尚未交付的第三部书稿,不予出版。
那时,《自然哲学的数学原理》前两部已经排版完毕,标题都是“论物体的运动”。那是系统阐述牛顿动力学三定律的部分。还在撰写中的第三部——“论世界之体系”——将结合万有引力,应用新的动力学全面阐述太阳系中行星、卫星及彗星的运动,无疑是全书的登峰造极。
哈雷不得不使出浑身解数扮演外交家和调解员。他遵循牛顿的嘱咐找雷恩求证,确认牛顿所言不虚。他一再向牛顿保证学会内部没有争议地站在牛顿一边。经过百般抚慰,牛顿回心转意,为自己的失态道歉后交出第三部书稿。在其中讨论引力作为向心力的细节时,牛顿轻描淡写地以括号注解:“正如我们的同胞雷恩、哈雷和虎克曾经多次得出过的结论”。哈雷排版时不动声色地将虎克的名字挪到自己的前面。
1686年,《自然哲学的数学原理》在伦敦问世。按照习俗,哈雷为牛顿的新著撰写一首热情洋溢的长篇《颂歌》7。他将一部特制的精装版奉献给国王詹姆斯二世(James II),8同时广为赠送欧洲各地的科学名流。
哈雷没能赢得雷恩的赌注,但意外博取到价值更高的收获。牛顿的著作很快风行一时,以《原理》9昵称不胫而走。书的成功保证哈雷在冒昧投身出版业时至少没有亏本。但他更清楚自己所为的重大意义,志得期满地以希腊神话里发现阿基里斯(Achilles)的尤利西斯(Ulysses)10自诩。
因为哈雷知道,人类从此将以全新的眼光看自然世界,包括他曾辛辛苦苦收集经验数据的信风、季风等气候现象。
(待续)
布鲁诺比伽利略年长16岁,在伽利略到帕多瓦大学之前在那里教过书,还竞争过伽利略后来获得的教授席位。两人在威尼斯有共同的朋友圈子,但伽利略来到时布鲁诺已经离开。
参阅《科学随笔:伽利略与浮体、潮汐及理性》
哈雷父亲的死因不明。他曾在伦敦塔牢房里兼任狱卒,可能被一桩未遂谋反案连累。
On the Motion of Bodies in Orbit
Philosophia Naturalis Principia Mathematica
Ode
查尔斯二世的弟弟,1685年登基。
Principia
即奥德修斯(Odysseus)