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浙江人文大讲堂【第383讲】:哲学博士王克迪教授做客人文大讲堂,揭开了不少牛顿的秘密

发布时间: 2017-11-07 15:12:57

   


   今年是牛顿划时代巨著《自然哲学之数学原理》(以下简称《原理》)出版330周年。330年前的1687年,《原理》第一版出版。牛顿的《原理》是第一次科学革命的集大成之作,它在物理学、数学、天文学和哲学等领域产生了巨大的影响。《原理》是经典力学的第一部经典著作,也是人类掌握的第一个完整的科学宇宙论和科学理论体系,在其后的300年里一再取得丰硕成果。牛顿三大运动定律,至今仍是中学物理课的开篇。

  日前,哲学博士、中央党校教授、博士生导师王克迪教授做客人文大讲堂,在浙江理工大学开讲《站在巨人肩上的巨人——牛顿》主题讲座,为我们揭开牛顿这部经典巨著背后的故事。

笛卡尔、开普勒、哥白尼

牛顿站在了巨人肩膀上

  牛顿写作这本书的时候,前人已经做了一些工作。

  首先是笛卡尔,他是一个法国哲学家,研究了一些涉及物理学的问题,例如漩涡说。笛卡尔写过一些哲学著作,其中有一本就叫《哲学原理》,牛顿这本书叫《自然哲学之数学原理》,从书名上就有参照笛卡尔,他在宇宙论以及涉及物理运动方面的想法跟笛卡尔不太一样,是有针对性的。

  其次是哥白尼的日心说,牛顿毫不犹豫地采纳了日心说,日心说过渡到牛顿理论中间有一个很重要的跳板就是开普勒的行星定律。

  开普勒留下最重要的遗产是行星运动三定律,基本意思是行星是沿着一个椭圆形的轨道围绕太阳旋转的,这个椭圆轨道在数学上是可以严格计算的。牛顿是在这个基础上再来开展自己的研究。

  还有伽利略的运动学,他几乎走到了牛顿力学的门口,但实际上还是有很大区别。

  所以牛顿写《原理》之前实际上已经有了大量前人的准备工作,提供了很好的基础。

  这里还要介绍一本书叫《几何原本》,作者欧几里得是个希腊人。这本书是牛顿写作《原理》的样本,他是参照这本书的格式来写的,这样的一个理论体系叫公理体系。一个好的科学理论是什么样子的,就是从欧几里得的《几何原本》开始。这本书由三个重要部分组成,其中一部分叫公理部分,它是不论证的,它不和经验、科学实验结果相违背。欧几里得一下展开了400多个命题。

  所以牛顿是有这样一个重要的参照。

  《原理》研究运动现象的自然力,然后从这个力再去推算别的物体的运动,获得一些规律型的东西,再把规律推广到其他领域。此外他要批判笛卡尔学说,主要批判两个方面,第一个是宇宙体系,第二个是解释这个宇宙运行的原因。笛卡尔的宇宙体系最核心的是地球,地球和硬壳之间是充满了以太。这个以太是一种很神的物质,我们不会感觉到它的存在,可是它就在宇宙里面。我们看到宇宙中有一些星在跑,就是因为以太裹挟着他们在运动。

  在笛卡尔那个时代,这个宇宙体系还是有一定的进步意义。但是到了牛顿时代要求就高了,需要讲清楚什么东西在推着它转,以及推力的来源是什么。

  《原理》产生的直接动因竟然是一次酒馆里的赌约

  《原理》一开篇8条定义,定义了质量、运动的量、物体固有的力、外力、向心力等。第二部分就是牛顿运动三定律。牛顿三定律的表述和我们今天教科书上的表述几乎是一字不差,300年经得起考验,这是很了不起的。

  主要内容分成三编。

  第一编是物理的运动,是理论体系最核心的部分,基本上把牛顿要说的所有的话都在这一部分里说完了,但是它是一个纯粹的理想状态的讨论,后面的讨论是接触实际的讨论。

  以前很多人看这本书一开始很失望,因为一上来讲的不是宇宙和物理,讲的是数学,它叫引理。我们现在知道它就是微积分。在牛顿以前人们不掌握这个手段,这个地方应该是牛顿的原创部分,而且相当有想象力。

  其中有一个重要的第66命题。牛顿在剑桥大学当教授的时候,当时欧洲知识界很多人都已经开始议论,开普勒的椭圆轨道跟两个物体之间的相互吸引力是有关联的。

  在一次酒馆的聚会里,有三个人相遇了。一个是哈雷,他是牛顿忠实的门徒;一个建筑师叫雷恩,他是现代伦敦城的总设计师;还有一个就是胡克,他是皇家学会的创始人和秘书长。

  三个人相遇以后,胡克说自己已经证明了开普勒定律和平方反比关系,数学上是可以推导出来的,结果那两个人不信,决定打赌,然后让胡克一周内拿出证据。可是两周过去以后,胡克没有拿出他的证明,哈雷就认为胡克是吹牛,他就想到了一个人——牛顿。他就赶到剑桥大学去见牛顿,一见面就问:如果两个物体相互吸引,吸引力是平方反比关系,那么一个物体绕着另一个物体在旋转的时候,那个轨道的形状应该是什么?牛顿连想都没想脱口而出:椭圆。牛顿说自己20年前就证明过,然后翻箱倒柜开始找,却找不出证据。哈雷说,给你两个礼拜时间,把这个证明写出来寄到伦敦去,然后哈雷就回去了。

  两个礼拜以后,哈雷收到了牛顿的信,是一个9页的手稿,这个手稿实际上是一篇非常重要的论文,这个论文后来就成了命题66的基础部分。哈雷看到以后又立刻赶到剑桥找到牛顿,敦促他马上写一本书,他说牛顿重建了整个宇宙体系,这个就是《原理》这本书产生的直接动因。

  牛顿独创了历史学方法,但中国古人早就会用了

  第三编是整部书最辉煌的部分,叫做宇宙体系。牛顿时代已经知道的全部宇宙,也就是太阳系以内的土星以下的各个行星的运动情况,逐个讨论。牛顿讨论了彗星的运动,当时没有人知道彗星是怎么回事,它突然就出现了,然后很快不见了,它有时候来得非常夸张,在天上很大很亮。牛顿运气很好,在他开始深入研究宇宙问题的时候,他连续看到两次彗星,其中有一次规模比较大。

  他做了非常密切的跟踪、观察以及大量的计算,他告诉我们他看到过的两颗彗星,其中一颗的周期是75年,后来那颗彗星交给了哈雷去研究,哈雷纠正了他的偏差,哈雷证明那颗彗星的周期是76年。于是70年后,那颗彗星被命名为哈雷彗星。

  另外一颗星是牛顿估算的,那颗彗星的周期是575年。牛顿独创了一门方法叫做历史学方法,有人把它叫做宇宙考古法,证明这颗彗星它历史上来过几次。牛顿翻了之前大量的记录,575年前就有记录,这颗彗星有多少吓人,拉了多长的尾巴,那年地球上死了什么重要人物,比如说凯撒被刺了,罗马帝国发生了政变等等。

  牛顿相信,每隔575年人们都记录过一颗重要的星相,这样的方法中国早就用过了.

  上世纪60年代初,前苏联专家找到中国科学院,说观测到有一颗超新星,大约在公元1006年左右爆发的,问题是全世界没有记录,但是中国人从周朝开始几乎都是记录天相的,于是中科院让一个研究生去查星象记录。1006年大概对应的是宋朝,这个幸运的研究生后来成了中科院院士,叫席泽宗,是中国天文史大家。他翻到了这个记录,然后写了一篇文章,发表在中国天文学报上。20年后,德国科学代表团来到中国,说中国有一本杂志叫《天文学研究》,他们看过英文版,里面有一篇真正的历史遗留的文章,就是席泽宗这篇文章。