威廉·司徒克雷(William Stukeley)图源:wiki
1726年4月15日,在他与牛顿的一次见面中,司徒克雷后来写道:“他告诉我,在过去,正是在相同的情景下,重力的概念进入他的头脑。它是由一个苹果落地引起的,而当时他正坐着沉思默想。他自己思量,为什么苹果总是垂直地摔在地上,为什么它不斜着跑或者向上跑,而总是跑向地球的中心呢?的确,原因是地球吸引苹果。在物质中必定有吸引力存在,地球的吸引力总和一定指向地球的中心,而不指向地球的任何一侧。所以这个苹果垂直地向地球中心下落。如果物质之间如此吸引,吸引力一定与物质的量成比例。所以,苹果吸引地球,和地球吸引苹果一样。存在一种力量,像我们这里所说的重力,它通过宇宙延伸自己。”【2】
此外,牛顿的另一位朋友,数学家棣莫弗(Abraham de Moivre,1667-1754)虽然没有提到苹果,但是他提到1666年牛顿在花园中思考的时候产生了关于引力的想法(文献【3】,p.154),与其他人说法基本一致。
万有引力的发现
虽然苹果的故事并非虚假,但它是否说明牛顿看到苹果之后就马上发现了万有引力呢?这就要说到牛顿和胡克就万有引力发现贡献的争论了。
胡克(Robert Hooke,1635-1703) 是英国皇家学会的创始人之一,显微镜的发明者和胡克弹性定律的发现者。早在1662年,他和另一位皇家学会的创始人之一莱恩(Christoffer Wren,1632-1724)讨论了行星如何在轨道上运动,他猜想太阳和行星之间有相互吸引的力,这种力可能随着距离而减少,他还设计了一个简单的实验检验重力是否随高度而发生变化。
胡克先用一个天平精确地称量一个铁球和一段绳索的重量之和,然后爬到大教堂顶,用绳索悬挂着铁球垂下,同时用天平称量看这种情况下总重量是否变化【4】,当然这个实验的精度并不足以探测到任何差别。
1666年,他在皇家学会宣读论文,1674年又出版了著作《证明地球运动的尝试》(An Attempt to Prove the Motion of the Earth from Observations),提出所有的天体都有一种指向其中心的重力,不仅吸引自己的各个部分使其不至飞散,且可以吸引位于其作用区域内的其它天体;物体在不受力的情况下做直线运动,在外力影响下才会偏离直线按曲线运动。胡克还提出物体太阳和行星之间存在的这种力随距离增大而减小,但在此书中他不确定是按照什么规律减小。
1684年1月,天文学家哈雷(Edmund Halley)与胡克、莱恩在皇家学会的会议上又讨论到行星运动问题。哈雷根据行星运动的开普勒第三定律
,假定行星的轨道是圆,推测行星受到太阳的引力反比于距离的平方。但因为行星实际的运动轨迹是椭圆而不是圆,他并不能真正证实这一点,胡克声称他能够证明在这种情况下行星运动的轨迹是椭圆,但不打算立刻公布,因为这样“人们就不会知道这个证明的难度”,不过众人并不相信胡克的说法。哈雷(Edmund Halley)
同年8月,哈雷来到剑桥并与牛顿见面,在与牛顿讨论了一些别的问题后,他询问牛顿如果行星受到太阳的吸引且引力与距离平方成反比,行星的轨迹是什么?牛顿回答说是椭圆并称自己做过计算,哈雷闻言大喜,请牛顿提供证明,牛顿说他未能找到给出这篇计算的论文,但同意另写一篇。
1684年11月,牛顿托人带给哈雷一篇题为《论在轨道上的物体的运动》(拉丁文De motu corporum in gyrum)的9页论文,在其中他证明了服从开普勒运动定律的物体受到一个指向椭圆的一个焦点且与距离平方成反比的力,也证明了在平方反比力的情况下物体的最一般的运动轨迹是圆锥曲线。
图2. 牛顿《自然哲学的数学原理》第一版
哈雷立即动身前往剑桥与牛顿会面,请牛顿发表这一论文。但牛顿在写作中产生了巨大的创作热情,不断扩充内容,从简单专题论文,变成了完整阐述整个力学的三卷本巨著《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)【5,6】。这本书直到1687年才完成。
胡克的争论
1686年在牛顿完成了书的第一卷后,由哈雷在皇家学会的会议上加以介绍。这时胡克站出来指责牛顿剽窃了他的思想,声称万有引力与距离平方成反比的想法是他首先提出的。这就要从二人的交往说起。
1671年,牛顿因发明反射式望远镜而被皇家学会接纳为会员。1672年,他给学会寄去了一篇他的光学论文,其中给出了用三棱镜将白光分解的著名实验,并提出了他的颜色理论和光的粒子假说。胡克没有仔细阅读和理解牛顿的论文就草率地写了一篇批评的文章,这令牛顿十分生气,用很多时间写出了反驳胡克的文章,由学会秘书奥登堡(Oldenburg)在1676年1月皇家学会会议上公开宣读。