牛頓的蘋果 | ③胡克與牛頓的爭論_風聞

大家好，我是國家天文台的陳學雷，今天繼續和大家講述牛頓蘋果的故事。

在上一期我們介紹到牛頓完成了他的《自然哲學的數學原理》一書，實際上在1686年牛頓完成書之前，寫第一卷時，哈雷在又一次的皇家學會的會議上對牛頓的研究進展做了介紹。這時胡克站出來指責牛頓剽竊了他的思想。

胡克當時在皇家協會是一位很有地位的科學家，胡克聲稱萬有引力與距離平方成反比的想法是他首先提出的。哈雷將這一情況告知了牛頓，這激怒了牛頓，牛頓一度聲稱他打算中斷寫作並撤回正在撰寫的第三卷，在哈雷的勸説下他才最終完成了著作。

胡克為何聲稱牛頓剽竊了他的思想呢？這緣於1679-1680年間胡克與牛頓之間的一次通信。

先回顧一下兩人在此之前交往的歷史。1671年，牛頓還是默默無名，但因發明反射式望遠鏡而被皇家學會接納為會員。1672年，他給學會寄去了一篇他的光學論文，其中給出了用三稜鏡將白光分解的著名實驗，並提出了他的顏色理論和光的粒子假説。

在當時，比牛頓名氣大很多的胡克，他主張的是光是一種波，也沒有仔細閲讀和理解牛頓的論文，就很草率地寫了一篇批評牛頓光學理論的文章，這件事兒令牛頓十分生氣。因此牛頓花了很多時間寫出了一篇反駁胡克的文章，由學會秘書奧登堡(Oldenburg)於1676年1月在皇家學會會議上公開宣讀。牛頓的反駁是非常有道理的，把胡克的一些話駁倒了。

由於奧登堡本來就與胡克關係不佳，胡克認為這是奧登堡故意挑撥二人的關係，因此他直接給牛頓寫信，表達了和解的願望。胡克的信寫的很客氣，牛頓在回信中也冠冕堂皇地説了一番學術至上、歡迎指正等等的客套話。

牛頓經常被人引用的“假如我看得比別人遠一些，是因為我站在巨人的肩上”其實就出現在這封回信中，這句話也不是牛頓的原創，是十二世紀哲學家查特斯(Bernard Chartres)的名言。這封信是不是像有的人猜想的那樣，是牛頓對胡克的嘲諷？因為胡克是比較矮，比較駝背的。實際上這種猜測還是不太可能的。因為首先兩人寫信是在萬有引力發現權進行爭論之前、也是雙方正想和好之時，不大可能如某些人猜測的那樣是對胡克的嘲諷。

而且實際上這段話的完整引用是這樣的：“（在光學上）笛卡爾邁出了很好的一步，你（胡克）又在幾個方面增補良多，特別是把薄膜顏色引入了哲學討論。假如我看得比別人遠一些，是因為我站在巨人的肩上。”這句話的意思是説在光學上，笛卡爾首先做出了一個很好的討論，胡克又增加了很多新的內容，這明顯是恭維胡克，希望拋開兩人之前的學術觀點之爭而實現和解。

這份信之後，兩人的關係得到了一定的改善。後來又到了1679年，這時奧登堡已死，胡克當上了皇家學會秘書。他藉着皇家學會秘書的工作職責包括瞭解會員的研究和意見，胡克主動給牛頓寫了信，在信中列出了題材廣泛的許多學術問題，來徵求牛頓的意見。其中比較特別的是有一個對胡克自己的《證明地球運動的嘗試》書中，關於行星運動是受一個隨到太陽距離增大而減小的吸引力影響的學説的意見。這個學説就很類似後來萬有引力的觀點，所以我們説胡克確實也在這方面有所建樹。

牛頓在給胡克的回信中並沒有一一答覆胡克的問題，而是説自己很忙，沒時間考慮哲學問題。牛頓性格不願與人交往，在給人寫信時經常説自己很忙，而且他是個很敏感的人，為了自己的面子也常故意表現得對很多問題沒興趣。按照牛頓後來的説法，他自己也覺得這樣回覆胡克未免有點簡慢，因此他在信中又增加了一點內容。

牛頓説既然胡克的著作《證明地球運動的嘗試》，這本書的主題是證明地球繞太陽公轉，並提出可以通過觀測恆星一年中的視差變化來證明這個主題，後來的天文學家也確實是用這種方法進行證明的。於是牛頓就提出了一個證明地球自轉的實驗。

在哥白尼地球運動學説剛提出的時候，人們的一個質疑是，如果地球是自西向東自轉的，那麼人跳起來後為什麼還會落在原地，而不是落在起跳點的西面？當然，正如伽利略曾指出的，答案是人和地球是一起運動的。不過牛頓指出，如果從高處釋放一個物體使其自由下落，由於高處轉動的線速度實際上比低處要快，因此它其實會落在偏東一點的位置上，這可以作為地球自轉的實驗證明。

雖然這個實驗實際上不容易做，但理論上沒有問題。不過，牛頓在討論這個理論的時候，不知出於什麼原因，隨手畫了一個假定地球不存在、物體穿過地面繼續下落的圖，好像地面不存在一樣，其軌跡沿着一個螺旋線直到地球中心（圖1），這是一個嚴重失誤，立刻被胡克抓住了。

圖1：牛頓信中給出的螺旋線

胡克回信提出落體應該類似行星，軌跡應該是一個橢圓（圖2）。這也説明胡克當時對行星的運動有一個很好的理解。牛頓在第二封回信中承認軌跡確實不應該是螺旋，不過他指出在力是一個常數的情況下，形成的圖形應該有很多瓣，不斷旋轉的線，類似圖3。

圖2：胡克提出的橢圓線

圖3：牛頓討論的常力作用下的運動軌跡

胡克又回信説還是不對，他假定力應該反比於到中心距離的平方。這次牛頓沒有再給胡克回信。所以後來胡克看到牛頓寫了《原理》後，就指責牛頓剽竊，説牛頓引力的平方反比關係來自他自己，其依據就是這次通信。

胡克與牛頓的這次通信發生在1679-1680年。顯然，如果按蘋果故事的説法，牛頓早在1666年就開始考慮引力並發現其與距離平方成反比，那麼這就與胡克無關了。當然，也正是因為如此，有些人懷疑這個故事是牛頓為了證明自己的優先權而編造的。那到底是怎麼樣的呢？我們下一期繼續聊。