環球科學朝聖

第一節 牛頓三一學院的蘋果樹

　　在劍橋大學，草坪的大小是財力的象征，而國王學院的草坪是最大的，這是因為它擁有皇家的背景。

　　它於1441年在英王亨利六世的鼎力支持下創立，學院的整個布局都由亨利國王親自規劃。國王學院的禮拜堂是劍橋的榮耀，也是公認的全歐最出色的哥特式建築，已經成為劍橋的標誌性建築。

　　三一學院是劍橋大學下屬的一個學院，它的大門入口處有一尊亨利八世的雕像，他左手托著一個象征王位的金色圓球，右手卻舉著一根椅子腿。這是怎麽回事呢？相傳這尊雕像落成時，亨利八世右手中握的是一根象征王權的金色節杖，不知是什麽人悄悄地爬上去，把節杖抽出來，用椅子腿取而代之。奇怪的是，這樣一個惡作劇居然沒有人理會，劍橋人還把它當成“精彩”的故事講給新生和遊人們聽。

　　三一學院大門左邊有一座建築，對著草坪有扇窗戶，據說那裏就是牛頓當年住過的宿舍。1661年，19歲的牛頓以減費生的身份進入三一學院，靠為學院做雜務的收入支付學費。當時的劍橋大學主要傳授一些經院式課程，如邏輯、古文、語法、古代史、神學等。不久，伊薩克·巴羅開設了一個自然科學知識講座，他的博學和豐富的數學知識很快就吸引了牛頓，把他引向近代自然科學的研究領域。1664年，牛頓被選為巴羅的助手。第二年，劍橋大學評議會做出決定，授予牛頓大學學士學位。

　　1665年，嚴重的鼠疫席卷了倫敦，隨時有可能殃及距離倫敦不遠的劍橋大學。學校決定停課，牛頓隻得離開學校，返回他的家鄉林肯郡的小鎮沃爾索浦。

　　離開了劍橋，牛頓仍然沉迷在科學探索之中，他每天都堅持看書學習，樂此不疲。有一天，他來到花園裏思考引力問題，忽然一個蘋果從樹上落下來。這個很平常的現象引起了牛頓的沉思：為什麽蘋果總是垂直落向地麵呢？為什麽蘋果不向外側或向上運動，而總是向著地球運動呢？

　　經過一段時間的思索，牛頓豁然開朗，終於發現了對人類具有劃時代意義的萬有引力。

　　在三一學院大門右側的綠草坪中間，長著一棵枝繁葉茂的蘋果樹。凡是到劍橋大學參觀的人，都會被領到這裏來，還會有人煞有介事地告訴你，當年牛頓就是在這裏悟出了地球引力的奧秘。

　　實際上，這棵蘋果樹是從牛頓的故鄉沃爾索浦移植來的，而沃爾索浦最初的那棵蘋果樹，早在1820年就被一場暴風雨刮倒，斷成了好幾截。按照植物學家的看法，一般蘋果樹即便正常生長，其壽命也不過百年。如果是這樣的話，不管是三一學院的蘋果樹，還是沃爾索浦的蘋果樹，都注定是後人製造的“贗品”。不過，英國約克大學的基辛博士卻不這樣認為。根據他的考證，沃爾索浦的那棵蘋果樹被刮斷後，曾有不少人慕名而去，從它上麵剪下枝條，拿回去扡插栽培。如今，有兩棵樹被公認為那棵使牛頓領悟了萬有引力定律的蘋果樹的後代，一棵留在沃爾索浦，另一棵就在三一學院。據說三一學院這棵蘋果樹上的葉片曾被作為紀念品高價出售。

　　一棵普通的蘋果樹之所以如此出名，原因就在於它跟牛頓發明萬有引力的故事聯係到了一起。然而，這個婦孺皆知的蘋果落地的故事，其真實性卻一直遭到懷疑。

　　牛頓逝世後不久，他的好朋友斯圖克萊撰寫出《牛頓的生平傳記》一文，其中寫道：1726年4月15日那一天，他到牛頓的寓所去拜訪牛頓，和牛頓在一起待了一整天。在談話中，牛頓親口告訴斯圖克萊，當年他正在思考引力問題的時候，一個蘋果從樹上落到地上，使他從中受到了啟發。

　　如果人們相信斯圖克萊的記敘，那麽蘋果落地的故事就是真實的。然而這裏仍然有不少疑點，為什麽牛頓生前從來沒有在公開場合講過這個故事呢？為什麽當時許多科學家或者牛頓的其他朋友都沒有聽過蘋果落地的故事，而在牛頓逝世後才逐漸傳出來呢？事實上，早在牛頓之前，就有不少科學家開始研究引力問題。1625年，天文學家開普勒提出太陽和行星之間也有引力，不然的話，地球上的海水豈不是會被月球吸走了。

　　1659年，荷蘭物理學家惠更斯也提出了萬有引力的概念。可以這樣說，早在牛頓之前，萬有引力定律的觀念就已經萌芽。牛頓臨終前曾經說過：“如果說我比笛卡兒看得遠一點，那是因為我站在巨人的肩上。”如果把蘋果落地當做一個偉大發現的標誌，讓這個發現變得更精彩，那未嚐不可；如果說牛頓就因為看到一個蘋果落地而茅塞頓開，憑空想出了萬有引力的定律，似乎有誇大其詞的嫌疑。

　　蘋果落地的故事原本隻在英國人中間流傳，後來由牛頓的外甥女凱瑟琳·巴沃講給了法國18世紀資產階級啟蒙運動的旗手伏爾泰。伏爾泰認為牛頓在自然科學方麵有著傑出的貢獻，應該把牛頓的創見介紹到歐洲大陸來。與是，他在《哲學通信》和《牛頓的哲學思想》兩本書裏，以大量的篇幅介紹引力理論，同時也轉述了蘋果落地的故事。借助伏爾泰的巨大名聲，蘋果落地的故事傳遍了歐洲大陸，進而傳遍了整個世界，成為家喻戶曉的科學佳話。

　　科學家逸聞

　　少年牛頓的奇思妙想

　　牛頓是一個早產兒，出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時，母親改嫁給一個牧師，把牛頓留在外祖母身邊撫養。牛頓自幼沉默寡言，身體瘦弱，頭腦也不聰明。上學後他讀書很不用功，在班裏的學習成績屬於次等。但他的興趣非常廣泛，特別喜歡讀一些介紹各種簡單機械模型製作方法的書籍，還經常自己動手製作一些奇怪的小玩意兒。

　　有一次，小牛頓弄懂了風車的機械原理後，就製作了一架磨坊的模型。他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上，然後在輪子的前麵放上一粒玉米，剛好那地方是老鼠可望而不可即之處。老鼠想吃玉米，就得不斷跑動，於是輪子就不停地轉動起來。

　　還有一次，他把一盞燈籠掛在風箏尾巴上，當夜幕降臨時，他把風箏放到天上去。村裏人看到天上有亮光閃來閃去，還以為是彗星出現了。

　　小牛頓家裏很窮，買不起鍾，他就製作了一個“水鍾”。他在水桶壁上劃上均勻的橫線，讓桶裏的水從桶底往外滴，水麵不斷下降，根據刻度線就能讀出時間。每天早晨，“水鍾”就會自動滴水到他的臉上，催他起床。牛頓還做過一個“太陽鍾”，據說是在木板上劃上線，中間釘一枚鐵釘。

　　在陽光下看釘子的影子與哪條線重合，就能讀出時間。這個“太陽鍾”類似於我國古代的日晷。

　　牛頓雖然在動手能力方麵強於很多同齡的孩子，但由於他學習成績不好，在學校裏常常會受到歧視。有一次課間做遊戲，大家正玩得興高采烈，一個學習好的學生無緣無故踢了牛頓一腳，還罵他是笨蛋。牛頓憤怒極了，同時他的心靈受到了強烈刺激，暗中下定決心，一定要發奮讀書，超過那個欺負他的同學。

　　從此，牛頓早起晚睡，刻苦鑽研，學習成績不斷提高，不久就成了班級中學習最優秀的學生。

　　科學小常識

　　萬有引力定律

　　萬有引力定律是解釋物體之間相互作用的引力的定律。根據這個定律，自然界中任何兩個物體都是相互吸引的，引力的大小與兩個物體的質量的乘積成正比，與兩個物體間距離的平方成反比。萬有引力定律把地麵上物體運動的規律和天體運動的規律統一起來，揭示了天體運動的規律，並為天文觀測提供了一套計算方法，可以隻憑少數觀測資料就能算出長周期運行的天體運動軌道，哈雷彗星、海王星、冥王星的發現，都是應用萬有引力定律取得重大成就的例子。利用萬有引力公式和開普勒第三定律等，還可以計算出太陽、地球等無法直接測量的天體的質量。牛頓依據萬有引力定律和其他力學定律，還解釋了月亮和太陽的萬有引力引起的潮汐現象，對地球兩極呈扁平形狀的原因和地軸複雜的運動，也成功地做了說明。