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1684年8月，哈雷访问了剑桥。哈雷一直在独立研究天体力学。根据开普勒第三定律，他已得出结论：行星到太阳的向心力与行星到太阳距离的平方成反 比。这一论断的形成过程表明，他是将开普勒第三定律代入惠更斯新近发表的离心力公式而得出这一平方反比关系。进行这一工作的并非只他一人。在胡克1686 年大叫剽窃之后，牛顿回忆起在1677年曾与雷恩谈过一次，在谈话中他们就考虑过“用哲学原理确定天体运动”的问题。他意识到雷恩也已经得出这一平方反比 定律。现在真相大白：胡克在1679至1680年冬向牛顿提出的问题，当时有几个人几乎是同时在自行求解。实际上，这是自然哲学面临的一大未解难题：如何 用动力学原理推导开普勒的行星运动定律。 1684年1月，在皇家学会的一次会议上，哈雷、雷恩和胡克也讨论了这个问题。 于是，引出科学史上一段佳话，三位著名科学家为了同一问题展开了激烈的讨论，从而上演了“咖啡馆打赌”的故事。一个下午，他们三个人来到了伦敦一家热闹 的咖啡馆里，在一个僻静的角落坐下，边喝咖啡边谈论着他们最近在科学上的发现。年龄最小的哈雷最后在研究开普勒第三定律的过程中发现了引力的平方反比关 系，但一直在冥思苦想如何去证明它，同两位年长的科学家在一起，正是讨论的好机会，他于是提出了这个问题。 “雷恩爵士，按照开普勒第 三定律，我推导出太阳发出的引力和从太阳到行星的距离的平方成反比例，但是您认为一个行星在引力的作用下所遵循的轨道应是一条什么样的曲线呢?”开普勒的 第一定律虽然已经明确地指出，行星围绕太阳逆行的轨道是一个椭圆，太阳就处于这个椭圆轨道的一个焦点上，但是谁也无法证明为什么是一个椭圆，以及引力的平 方反比定律和行星的椭圆形轨道有什么必然联系，只有回答了这个问题，才能揭示开普勒三大定律之间的内在联系。 因此，哈雷问行星的轨道是一条什么样的曲线的问题，那时牛顿也没有回答出来，只是记下了以后解决这一问题的步骤。现在哈雷也走到了这一步，雷恩也回答不出来。尽管雷恩爵士有着极为敏捷的数学头脑，但是他承认自己无法解决这个问题，只是耸耸肩，摊开双手，说道： “这个问题我也进行过推算，和你得出的结论一样，但是要证明行星运行的轨道却是难事。” 哈雷转过头来望了望胡克，那急切的表情说明他非常希望胡克能解决这个问题。但胡克没有出声，脸上露出神秘的微笑。胡克的聪明和才干在科学界是有名的，而 且近几年他一直致力于研究这个问题，企图解决这个世纪难题。胡克的表情使渴望得到解答的哈雷心情变得更加急切,他催道:“胡克先生，您快说呀!” 胡克这才抬起头，慢悠悠地说：“这是一个支配一切天体运动的定律，这个定律可以完美地论证，我已经做出这样的论证。” 哈雷问：“那么遵循这条定律的行星运动的轨道是一个什么样的曲线呢?” “是一个椭圆。”胡克稍作沉吟，然后说，“和开普勒推测的一样。” “那您是如何证明的呢?”哈雷很兴奋，想看看自己解决不了的问题别人是如何解决的。 胡克又不出声了，仿佛一言难尽。雷恩也急切地要他说出论证方法。 胡克说：“这样吧，我已经证明过了，但不知道是否正确，我还得继续研究。让我们都来做这个论证吧!” 哈雷还想说什么，但经验丰富的雷恩却听出了胡克的弦外之音，他明白了胡克建议大家都来做这个论证的意思是什么：可能胡克是真的已经做出了这个证明，但是 他却不愿在这个时候拿出来，而要等别人试做证明都失败后，他再把自己的证明拿出来，以显示自己的与众不同，因为爱卖弄聪明的人总是这样；也许胡克根本就没 有证明出来，他这样说，一方面可以表示谦虚，另一方面可以争取时间来做出解答。 雷恩摆手让大家安静下来。 “我同意胡克先生的建议，我们都来做这个论证。在两个月内，不论是谁先提出论证，我都拿出一笔奖金来奖励他。” 哈雷笑着问道：“奖多少呢?” “一本价值四十先令的书。” “只有四十先令?”胡克和哈雷都大笑起来。 不用说，用一本价值四十先令的书作为对解答一个天文学上的大难题的奖励实在是太少了，科学的价值是无法用金钱来衡量的。但是，作为一种荣誉的表示，雷恩自己掏腰包，这也是非常可贵的。 就这样，他们约定一齐向这个难题进攻。但是，两个月过去之后，他们都没能得出这个证明。一直等到8月份，哈雷去找胡克，胡克仍然没有论证出来。哈雷想到 惟一可能解决这一难题的人就是那个不做声的人。因此，他急急忙忙地来到了剑桥大学，一见到牛顿，就直截了当地提出了他急于想得到答案的问题。 “先生，假定引力随着距离的平方而减小，那么一个行星所遵循的轨道应是什么样的一条曲线?” “椭圆。”牛顿毫不犹豫地回答。 “那您是怎么知道的呢?” “因为我已经计算过了。”牛顿回答得非常平静，反倒对哈雷的大惊小怪有些不解。 “能不能给我看一下?”哈雷半信半疑又半惊半喜。 “可以。”牛顿仍然回答得既平静又简单。 他开始在抽屉里找他两年前的计算稿，从这个抽屉找到那个抽屉。哈雷目不转睛地看着他到处乱翻，看到每个抽屉里都乱七八糟地盛满了各种文稿和资料，桌子上 是各种书籍和做实验用的仪器，还有一面制作得很精致的用合金做成的反光镜。牛顿的房间总是乱糟糟的，凡是和牛顿交往的朋友都知道，这是牛顿的个人特点。东 翻西翻地找了半天，最终也没有找到那份计算稿。他的东西真是太多了，他对这些东西的摆放从来都不用心，常常是做完了就随手一丢。他从不把自己花了大量心血 做的研究看得很神圣，而是把它当成一种“消遣”；他追求的不是结果，而是过程本身，尽管他知道没有结果就没有过程，但他仍然不刻意追求它。 看着牛顿那副尴尬样，哈雷劝他不要着急，慢慢地找，并和他说闲话。牛顿最后还是没有找到，只好向这位专程来访者道歉，他怕哈雷失望，对哈雷说：“好吧， 我把我手上的工作放下，重新做这个计算，将结果抄好后寄给您。”很守信用，重新查找和整理数据，凭着记忆，昼夜不停地计算。三个月后，哈雷在伦敦果然收到 了牛顿给他寄来的计算稿。哈雷急切地阅读着这些几乎没有几个人能够看得懂的公式和计算，越读越兴奋。当他读完计算稿后，心中顿有一种豁然开朗的感觉，郁结 在心中多年不解的问题一下子被解开了。牛顿的推理和计算有条不紊，一环紧扣一环，一步紧接一步，这种强大的逻辑力量完全征服了哈雷。哈雷衷心地佩服这位天 才，与此同时，他也立即意识到，牛顿的这项重大成果对于揭开宇宙之谜，推进科学发展有着重大的意义，不能让它再埋没下去了，应该立即公布于世。 没有多长时间，哈雷又到剑桥访问了牛顿。谈话中，牛顿拿出一叠手稿给哈雷看，题目是《物体运动论》，说这是他最近的研究成果，准备用来讲课，哈雷边浏览 边称赞。手稿对行星运动的轨道问题进行了详细的证明与讨论，并且还把这些证明推广到太阳系里的一切天体。一个新的伟大理论体系的雏形已经出现了。哈雷请求 牛顿把这些研究继续下去，并且希望牛顿以后将研究成果寄给皇家学会，以便他们登记备案，确立其优先权。 “牛顿先生，您的这些成果太重要了，您不应该让它埋没，您应该把它公布出去。” 哈雷这种诚恳而又热切的心情感动了牛顿，他答应了这个要求。哈雷即刻向皇家学会报告了这一消息，皇家学会也极端重视，专门派哈雷和佩吉特两人负责“提醒 牛顿先生不要忘记自己的诺言”。此后，哈雷经常往返于剑桥和伦敦之间。牛顿按照哈雷的要求，对手稿进行了系统的整理，并对有些问题进行了重新考虑。这些工 作的结果是他于1684至1685年间在剑桥做的一系列名为《论天体运动》的演讲稿，并将自己关于运动的命题的一部分内容寄给了皇家学会。1684年底， 哈雷把牛顿在剑桥所做演讲的主要内容向皇家学会做了报告，会员们听后都觉得非常新奇并产生了浓厚的兴趣。 于是，皇家学会就请牛顿在可 能的情况下把他出版的论文寄一份去。然而，也大约就是这个时候，牛顿在给朋友阿斯顿的信中抱怨说：“这一工作用的时间超出了我的预料，其中大量工作是毫无 意义的。”尽管如此，在哈雷的热心敦促下，这一工作仍继续下去。现在牛顿遇到了另外一位知音―――他和良师益友巴罗教授一样有着高尚的人品与才学，是杰出 的数学家和物理学家，也把别人的事业看成自己的事业，把别人取得的成就看成是自己的成就一样高兴，在别人超过自己的时候乐于承认别人比自己更伟大，只不过 不同的是，这是一位具有热心肠的年轻人。 从1685年初到1686年的十八个月是科学史上不平凡的十八个月，在这段时间里，诞生了科学史上公认的最伟大的著作―――牛顿的《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)。 不知是巧合，或者是上天的安排，牛顿的这些伟大思想的孕育也经过了十八个月，那是二十年前的1665至1666年期间，经过二十年的辛勤劳动和不懈追求，这些伟大的思想终于成熟。现在，牛顿准备把这部凝聚了他二十年心血和人类千百年智慧的伟大作品奉献给人类了。 哈雷无疑是促成这部伟大著作诞生的人，在他的热心宣传、奔走和敦促之下，更多的人认识到出版这部著作对于人类发展的重要性。皇家学会也起了积极作用。开 始，皇家学会准备把牛顿的这些研究成果发表在《哲学学报》上，但在研究了前面的几个部分之后，便决定出资把这部著作印成书本单独出版。但是，就在这个时 候，皇家学会经济上发生了困难，缺乏足够的资金出版这本书。因此，哈雷便自费承担了这个工作，虽然那时他自己也经济拮据，还有妻子和沉重的家庭负担，但 是，为了科学事业，他毫不犹豫地拿出了这笔费用。除了经济上的帮助之外，哈雷还不断给牛顿以精神上和工作上的帮助，帮助他排除阻力，鼓励他完成研究，为他 搜集必要的天文资料、校订清样，并指出文中的含混之处，安排印刷和插图等等。在牛顿的这部伟大著作中，也凝聚了哈雷的无私奉献，记载了哈雷的高尚品质。 除了哈雷提供的动力之外，当时这部作品诞生的另一个重要条件也成熟了。这就是在1685年初，牛顿成功地证明了一条重要定理：一个所有与球心等距离的点 上的密度均相等的球体在吸引一个外部质点时，其全部质量都集中在球心。也就是说，在计算两个物体相互吸引的有效距离时，如果物体的密度均衡，可以从物体的 中心(或重心)算起，这样，就可把任何一个物体，看做是一个质量和引力集中于中心的质点。这一定理的证明，解决了牛顿在证明万有引力过程当中困惑了多年的 难题。开始了伟大的工作。在这不平凡的十八个月里，牛顿总是在他的书房里走来走去，毫不关心周围发生什么事情。他还喜欢到花园里去散步，但有时会突然停下 来，好像有什么事情发生似的，急匆匆地奔回楼上，人还没有坐稳，便拿出笔来在纸上飞快地画着，好像这些东西慢一点就会跑掉似的。 总 之，牛顿像着魔似的，完全沉浸在思考、计算、证明、写作、制图、数字和符号之中，每当他聚精会神的时候，就好像与世隔绝了。将《原理》一书按照逻辑的排列 分为三卷。第一卷是他对先前《物体运动论》的扩充，写得非常顺利，很快就完成了。到1685年中期，第二卷也写完。被称为“宇宙体系”的第三卷却困难得 多，因为在这一卷里，牛顿要根据他的引力定理解释行星的运动和各种天文现象，这就需要许多天文观测数据，并且对这些数据的理论计算和观测事实必须相符合。 这些天文数据一部分是来源于原有的资料，一部分要靠格林威治天文台台长费拉姆斯蒂德提供。 1684年4月，哈雷在皇家学会会议上宣布 “牛顿先生有一篇无与伦比的关于运动的论文即将写好以备出版”，并且还在《哲学学报》上发表了一篇述评，宣传这部新书的重大意义。月底，牛顿的第一卷手稿 就被送到皇家学会，学会很快承认了这部著作的重要性，并着手付印。由于皇家学会此时经费困难，由哈雷出资并主持其全部出版工作。 但就 在这部伟大著作按照程序一卷卷地写作、出版的时候，已经卸职的胡克又缠了进来。体弱多病的胡克性情有些怪僻，这时已年逾五十。看到自己多年渴望证明的伟大 定律被一位比他年轻的人证明出来了，心里无论如何都无法平衡。因为，作为一位出色的科学家，他是非常清楚牛顿所做的这些事的重大意义的，他自己也在努力地 探索，并且早在1679年就已经开始在和牛顿通过的一封信中，提出了“引力总是跟到中心的距离的平方成反比”的推测，并且说：“一旦知道了这一关系，天文 学家就容易解决天体运动的规律了。”但是，由于他的数学功底不够，虽然他很聪明，却始终没有证明出这一定律。对于牛顿用严密的科学方法所做的卓越证明，胡 克并不否认，但是，他认为，关于引力的平方反比关系以及某些重要的思想是他先于牛顿提出来的，牛顿不应当把这些功劳统统抢去归于自己。他的虚荣心使得他对 学会的会员不断嘀咕，他应该享受首创这方面观念的荣誉。 实际上，引力定律的基本观点曾经独立地由好几个人思考和探讨过。早在1666 年鼠疫期间，牛顿最早形成了这一思想，并做了“地月验证”的计算，只不过由于某些问题还没有得到解决因而没有向外界公布。1673年惠更斯发表的离心力理 论及其计算公式，是证明引力定律的一个重要推论。到1680年，哈雷和雷恩在研究开普勒第三定律过程中，也推导出引力平方的反比关系。但是除了牛顿，都没 有证明出这一定律。 哈雷担心胡克的嫉妒会引起牛顿的愤怒，便与新当选的皇家学会秘书，也是牛顿的朋友弗朗西斯・阿斯顿商议。 他们都非常了解牛顿的个性，也深知牛顿和胡克过去由于在光学问题上的争论以致使得牛顿伤心到不愿发表任何文章的地步，因此他们决定暂时不让牛顿知道胡克 的抱怨，以免影响他的心情。然而，胡克没有停止散布他的言论，各种各样的说法都在流传。哈雷和阿斯顿感到，不应该再隐瞒下去了。迟早这些言论会传到剑桥 的，如不告知牛顿真相，倒可能使事情变得更坏，因此，哈雷写了一封措辞非常委婉的信把这件事告诉了牛顿。 果然，听到这个消息后牛顿非常气愤，关于谁发现这个定律的问题倒在其次，让人无法忍受的是，有人在背地里说他从胡克那里剽窃了这个定律。因此，对于哈雷在信中的提议―――在他的著作的序言里适当地提一下胡克的姓名(这实际上是胡克的要求)，他不同意。 在回信中牛顿从头到尾地叙述了他发现引力定律的经过，一点一点地驳斥了胡克的种种说法，并指出了胡克在某些问题上的错误。 1687年3月，牛顿写信给哈雷说，第三卷已由驿车送给他。4月，哈雷通知牛顿，他已收到第三卷―――“天才著作的最后部分”。1687年7月，牛顿的 伟大著作《自然哲学的数学原理》出版了。这次初版用的是拉丁文，版本三十二开，篇幅约五百页，里面有很多木刻图表说明，印刷精致，封面设计以对称的花纹饰 边，有一种严谨的古典美。除著有作者伊萨克・牛顿的名字之外，还著有塞缓・匹普斯的名字，作为皇家学会会长他给了出版许可证。扉页有牛顿的题词：谨以此书 献给詹姆士二世统治下的日益繁荣的皇家学会。 哈雷对自己作为这本书的编辑感到很满意。他写信对牛顿说；“我总算完成了您的杰作的出版工作，我希望能使您满意……我将用您的名义把书送给皇家学会、波义耳、佩吉特、弗拉姆斯提德以及其他在伦敦您需要致意的人。” 《自然哲学的数学原理》第一版出版后，引起读者的极大兴趣，很快销售一空。据说，到后来有许多人甚至花比原价高三四倍的价钱去买这部书。有一个苏格兰 人，因为没有买到这本书，竟然不惜精力、时间抄了整本书。牛顿在世时，共出了三版。第二版纠正了若干错误，并由牛顿写了著名的“总释”之后，在1713年 由英国数学家汉・科茨负责出版。第三版在1728年出版。的《原理》的原版，不管是拉丁文版还是英译本，现在在通常的书店都已买不到了，只有在极少数大图 书馆才能找到它的珍藏本。这是由于这部书是一部不容易读懂的书。 一则是牛顿写这部书的方式非常奇特。二则是从牛顿时代以来，语言和表达方法发生了很多变化。因此，1934年，《原理》经数学家卡乔里用当时的数学语言文字改写出版，现在所流行的《原理》一书的版本，就是这种改写本。 在17世纪80年代初期，由于牛顿的物理和数学才能，使他无法重新与世隔绝，而在他自己的世界里，他可以随心所欲地研究自己感兴趣的事情。不过，自然哲 学界对《原理》的出版却毫无准备。当哈雷读到这部著作时，对其独到的见解，无数次表达强烈的惊讶。几乎从著作出版的那一刻开始，连那些拒绝接受其中关于超 距作用的主要论点的人，都认定这是一部具有划时代意义的著作。《原理》成了牛顿生活的转折点，他在放弃研究二十年之后，终于完成了一项事业，《原理》也成 了自然哲学的转折点。牛顿的生活要回到原来的状态已是不可能了。 1687年上半年，这部杰作即将问世的传闻遍及整个英国。在《原理》 即将出版之前，《哲学学报》的一篇恢宏的评论向那些尚未听到传闻的人宣告了它的问世。虽然评论没有署名，但我们清楚，作者就是哈雷。因为除牛顿本人之外， 无人比哈雷更清楚著作的内容，哈雷认为它具有划时代的意义。 (责任编辑：中国历史网) |