第1章　牛顿的不朽功绩——万有引力定律

时值1697年，在伦敦比较乏味无趣的某城区，一家昏暗的小酒馆里，一名男子松松垮垮地披着一件斗篷，蜷缩着躲在角落。一头花白长发，鼻梁高挺，目光锐利、坚定，满怀期待地与同伴坐在一张小桌旁，他就是英国皇家铸币局的总监，希望探寻到一些伪造货币的人。这些造假的人，与形形色色的杀人犯、恶棍一起，经常出没于这个酒馆及周边地区。

就在前一年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）被任命为英国国家铸币局的总监——年薪300英镑。当时，货币铸造的工业化尚在进行中，手工压铸的货币仍在流通，不过，铸币厂的生产已经开始有一定规模，用机器熔化、压铸金币和银币。由于马被用作动力来拉动机械，仅清理马粪每年就要花掉700英镑。铸币局虽然在伦敦塔^[1]里为牛顿提供了住处（见图1-1），但牛顿不愿挨着烟雾缭绕、又臭又吵的铸币厂。所以，他在多姿多彩的伦敦城中心自己找了个住处安顿下来。尽管如此，他却很少参加城里时髦的娱乐活动，对艺术也毫无兴趣。在他眼里，古典雕塑不过是“石头娃娃”，诗歌就是“精巧的废话”。在英国歌剧的黄金年代、亨利·普赛尔^[2]（Henry Purcell）的时代，他确实去过歌剧院，但只有一次。他后来回忆道：“我愉快地听完（歌剧的）第一幕，强忍着听完第二幕，等到第三幕我就溜了。”

图1-1　伦敦塔

牛顿可能是在钻研炼金术的时候，对铸币产生了兴趣。但他或许没想到，铸币局总监除了监管铸币生产，还要负责追查伪造货币的不法行为。走马上任后没过多久，牛顿就给英国财政部写信说这个职务“非常烦人又危险”，自己无法再干下去了。财政部对此什么话也没说，只是坚持让牛顿履行自己的职责。牛顿别无选择，只能遵从，他拿出自己在工作中一贯的坚定、专注的态度，全身心地投入工作。

探访邪恶世界

我们实在难以想象，这位“现代科学之父”为了给伪造货币的人问罪、定刑，不惜屈尊跑到贼窝、酒馆、客栈，以及臭名昭著的新门（Newgate）监狱去搜集证据。这让我们想起在神话里常常出现的画面：英雄进入一个充满恐怖、邪恶的世界，在经历过最严酷的考验和最终的死亡之后，归来的英雄增长了学识和自我认知。吉尔伽美什（Gilgamesh）、忒修斯（Theseus）、赫拉克勒斯（Heracles）、奥德修斯（Odysseus）、埃涅阿斯（Aeneas）等神话英雄都有过这样的经历。他们的功绩就是他们具有非凡能力的明证，也奠定了他们的不朽地位。而牛顿也早在1687年，在宁静、文雅的剑桥大学三一学院立下了自己的不朽功勋。那一年，牛顿发表了专著《自然哲学的数学原理》（简称《原理》），这本书超越了其他所有缔造了现代科学世界的著作。

1661年，18岁的牛顿进入剑桥大学三一学院学习（见图1-2）。1665年8月，大学由于瘟疫爆发而停课关门，牛顿回到故乡林肯郡伍尔索普庄园（Woolsthorpe Manor）。在接下来的两年里，牛顿一直待在家。正是在此期间，他拓展了自己的初始想法，这些想法最终彻底改变了科学及更广阔的物质世界。大家都知道有这么一个令人难忘的故事：年轻的牛顿在看到苹果落地后，开始深入思考引力。尽管这个故事听起来不真实，却是牛顿亲口所说。在去世前的7年里，牛顿与侄女凯瑟琳·巴顿（Catherine Barton）、侄女婿约翰·康杜德（John Conduitt）住在一起，后者也是牛顿在铸币局的工作助手。康杜德记录下了牛顿讲的故事：

图1-2　剑桥大学三一学院内的大广场

1666年，他再次离开剑桥，搬回林肯郡与母亲同住。有一天，他在花园里一边散步一边思考，忽然想到让苹果从树上掉下来的那种力不会只局限在离地面有一定高度的地方，而是会延伸到比人们通常认为的要高得多的地方。为什么不可以到月亮那么高？他心想。如果是这样，引力一定会影响月亮运行，还有可能约束着它，让它乖乖待在自己的运动轨道上。于是，他动手计算了一下这个效果。

牛顿意识到，如果我们把一个苹果扔出去，苹果会因为受到地球的引力，在空中划出一条弧线，重新落回地面。如果我们从山顶上扔出一个苹果或发射一枚炮弹呢？炮弹的发射速度越快，它在落地之前在空中飞过的距离就越长。牛顿推断，只要我们以足够快的速度发射炮弹，炮弹就会像月亮一样围着地球旋转，永远也不会落下来。牛顿在《原理》一书中用图说明了这个想法（见图1-3）。让苹果落地的力与让行星保持围绕轨道运动的力，其实是同一种力。虽然现在我们对这个概念已经耳熟能详，但很难想象在它还不是常识的时候，世界是什么样的。牛顿带来的这场科学革命距今不到350年。在那之前，人们压根不知道，苹果落地竟会与天体运行存在关联。

图1-3　在《原理》第3卷“论宇宙的系统”里，第6页的插图展示了牛顿的推理过程

科学革命

牛顿的科学贡献不仅是做类比、进行有力的论证，他还建立了一套完整的力学体系，用来计算物质世界的运转。牛顿的理论后来得到了广泛应用，成为认识宇宙这项科学事业的根基。在长达200多年的时间里，它一直在科学研究领域占据着统治地位（见图1-4）。

图1-4　土星的美丽光环全靠引力维系着，才不至于消散

直到20世纪初，人们才发现有必要修正牛顿的理论。现在，我们已经知道，在分析微观物理问题时需要使用量子理论，在处理接近光速的高速运动问题时需要狭义相对论，而在研究大质量物体的引力效果时需要广义相对论。

扭曲时空

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出了一个全新的引力理论——广义相对论，这个理论比牛顿的引力理论还要出色。在分析大质量物体的引力作用时，爱因斯坦抛弃了牛顿的引力理论，提出大质量物体会扭曲周围的时空。若有其他物体（包括光）从旁边经过，受时空扭曲的影响，它们就会转向改道。虽然这个理论听上去与牛顿的理论截然不同，但在预测小质量物体的引力作用时，二者几无差异。

在强引力环境中，爱因斯坦做出了十分离奇的预言。广义相对论指出，大质量物体能够让光的传播路径发生偏折。像巨椭圆星系这样的庞然大物，剧烈扭曲着周围的时空，好似一面巨大的透镜。图1-5展示了一个真实的引力透镜现象：遥远星系的影像被一个巨椭圆星系扭曲成了一个环。爱因斯坦还预测宇宙中有黑洞，黑洞的引力极其强大，连光都无法从中脱身。此外，广义相对论还提示我们，像黑洞相撞、并合这样的暴烈事件，能激起时空的涟漪——引力波。所有这些惊人的预言如今都得到了证实。

图1-5　科学家从斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）观测的数据中，发现了引力透镜LGR 3-757。位于光环中心的弥漫状球体是一个巨椭圆星系，光环本身是远处一个星系的扭曲像。这个星系发出的光在经过椭圆星系时，路径会发生偏折

牛顿的引力理论非常不错，适用于几乎所有的情况。在地球附近，牛顿力学的引力与广义相对论的引力只存在极小的差异，在日常生活中，我们完全可以忽略不计。因此，若我告诉你，我们日常应用的技术为力求精确，也需要广义相对论的辅助，你听了一定十分惊讶。给卫星导航的全球定位系统（GPS）就需要考虑引力产生的时间扭曲，如果对其置之不理，用不了几分钟GPS就会出问题。

牛顿爵士

牛顿成功地打击了伪造货币的犯罪行为，一共提起28件诉讼案。1699年，他晋升为英国皇家铸币局局长。6年后，安妮女王授予他爵士称号，以表彰他在皇家铸币局的出色工作（而非科学贡献）。2017年，为纪念牛顿诞辰375周年，皇家铸币局发行了一枚面值50便士的纪念币（见图1-6）。

图1-6　面值50便士的牛顿纪念币

在问鼎“有史以来最伟大的物理学家”称号时，牛顿只遇到一个对手。然而，还有许多知识是牛顿永远也无法知道的。等你读完本书，你会比牛顿更加博学，你甚至知道金子在哪里又是如何形成的。

[1] 当时，皇家铸币局就设在伦敦塔里。——译者注

[2] 亨利·普赛尔，17世纪杰出的英国作曲家。——译者注