科学史︱万有引力不是“苹果为什么落地”这么简单

关于“牛顿和万有引力”之间的流传最广、知名度最高的故事，莫过于“砸在牛顿头上的苹果”。这个故事一般版本如下：

一天傍晚，牛顿坐在苹果树下乘凉。忽然，一个苹果从树上掉下来，落在他的身边。他觉得很奇怪，心想：“苹果为什么会掉下来呢？” 他继续自言自语，“可是，为什么苹果只向地面上落，而不向天上飞去，也不向左、向右抛开呢？” 为了弄明白这个问题，他又反复地观察，专心地研究，终于发现了苹果落地的秘密……原来，这是因为地球有吸引力！

然而，这个故事据说是伏尔泰从牛顿的侄女那里听来的，并不见于任何正式记载。实际上，在中世纪“地心说”就已经成为了一种共识（在“地心说”中，物体朝向地心自然下落）。到了牛顿生活的时代，距离哥白尼提出“日心说”差不多有两百年了，且从伽利略至开普勒，“日心说”都已经逐步替代了“地心说”。所以，“地心引力”对于牛顿来说根本不是什么新鲜事，他需要回答的不是“苹果为什么落地”这样的常识，而是更为复杂的问题——“星体为何没有因为离心力而飞出太阳系，或者因为向心力而飞向太阳”。

牛顿

牛顿与笛卡尔的分歧

在“万有引力”的研究上，法国人笛卡尔是牛顿的前辈。

笛卡尔

笛卡尔研究引力是从一个意想不到的方向入手的，这就是“光学”。我们现在可以接受光是在真空中传播的观点，但是在笛卡尔看来，光的传播必须借助一种叫做“以太”（Ether）的“介质”，由于光几乎是无处不在的，这就要求每个地方都必须充满这种“介质”，或者说整个宇宙都要充满这种“介质” 。笛卡尔还为这样一个被以太充满的宇宙起了名字，叫Plenum，意思就是“被（以太）充满的（空间）”

那么，这种“以太”又与“万有引力”有什么关系呢？如前所述，笛卡尔认为以太充满了整个宇宙，然而这些以太并不是静止不动的，而是旋转起来了。通俗地说，宇宙如同一碗浓汤，而上帝就像一个喝汤的人，他用勺子在这碗汤中搅拌了一下，于是在这碗“宇宙浓汤”中，就形成了一个个“漩涡”，这些漩涡的中心便是“星体”。漩涡中心对漩涡其余部分，有一种自然而然的“吸引力”，这就是宇宙中引力的来源。

以太漩涡说

在当时，笛卡尔的理论可以说是非常有说服力的，因为它基本上完美地解释了，为什么在太阳系边缘上的星体运行速度要比靠近太阳系中心的星体更慢。而牛顿却对笛卡尔的“以太学说”产生了怀疑。凡是学过光学的人都知道，牛顿做过一个著名的光学实验——用三菱镜将白光分解为七色光，而此前笛卡尔主张白光是一种单纯的物质。 由于这一观察，牛顿开始对笛卡尔有所质疑。

在牛顿看来，宇宙之中或许并没有充满某种“看不见的物质”的必要，它可以是空空如也的，星体之间的“引力”也并不需要某种“看不见的介质”来进行传递。他这一思路颇有可能继承自开普勒，因为开普勒就认为引力如同磁力一样（实际上，“引力”这个词就是开普勒从磁力那里借来的），可以在彼此不相邻的情况下产生作用。

笛卡尔与牛顿的分歧，在科学史上可以称为是“近距离作用力”和“远距离作用力”之争。笛卡尔一脉的学者认为，粒子之间只有紧挨着的时候才会发生作用，而牛顿则认为即便在很远的距离上，粒子之间也会发生作用。

还有一位我们熟知的大人物，同时也是牛顿一生的学术对手——莱布尼茨，他对牛顿的万有引力观也持批评的态度。因为按照笛卡尔的主张，引力是“牵一发动全身的”，就如同从地上捡起了一件衣服，当你捏着领子往上提的时候，衣服的袖子和下摆也跟着向上运动起来。如果按照牛顿的主张，两个点之间是没有任何“介质”的，那么引力的传播应当是有一定“延迟”的，可是以当时的条件无法观测到这一点。这个问题也令牛顿十分困扰，而他对此的回答则是，无处不在的上帝使得这股力量呈现于世界每个角落。

笛卡尔和牛顿学说之间的差异，除了学术见解不同外，也有可能与一直都不太融洽的英法关系有关。伏尔泰在其作品《英格兰书简》（Lettres anglaises）中这样写道：“一个法国人到了伦敦，发觉哲学上的东西跟其他的事物一样变化很大。他去的时候，还觉得宇宙是充实的，而现在他发现宇宙空虚了。在巴黎，人们认为宇宙是由精细物质的漩涡组成的；而在伦敦，人们却一点儿也不这样看。”

当然，牛顿也认为“以太漩涡说”仍然颇有可取之处，因为笛卡尔的理论可以很好地解释为什么宇宙中的很多星体都需要“围绕着一个中心旋转”，即“向心力”的问题。牛顿承认自己的理论其实并不能为“引力”的“物理学起源”找到一个恰当的解释，或许他认定，引力的存在可以是某种“自世界创造以来便已经如此”的状况。

“万有引力”是上帝的创造

牛顿的“万有引力”不仅在科学界引发讨论，也在神学界掀起轩然大波。在安德鲁·迪克森·怀特所著的《科学与神学论战史》中，关于“牛顿与万有引力”的关系之间，有这样一段话：

有个事实并非是广为人知的，即尽管宗教精神深入牛顿的心灵，他依然遭到了强烈的反对。由于他阐述了万有引力定律，有人严厉地指责他“剥夺了上帝对《圣经》中一直确认是其造物的直接作用，并把它变成了一种物质作用过程”，还指责他“用万有引力取代了上帝”。

不过，怀特的作品给人这样一种印象，即由于陷入了某种宗教的迷思，牛顿真的用“万有引力”取代了“上帝”。然而事实并非如此，牛顿保持着清醒的认识，他认为“万有引力”乃是上帝用来令宇宙掌握某种惊人平衡的力量。

根据史料来看，将牛顿视为一个晚年误入歧途的神学家，是不太恰当的。因为“上帝作为宇宙的第一推动者”这样的观念，在当时是物理学研究的默认前提。无论是笛卡尔、莱布尼茨还是牛顿，他们的物理学中必然有一个终极的动力因，这个原因不被任何其他因素所搅动，而他本身凭借自身的自发运动，带动了整个世界的运转。

因此笛卡尔与牛顿之间的分歧，不在于有没有上帝，而在于自然之中有没有一个单独的万有引力的来源。当时有一位年轻的神学家本特利，他机敏地发现了牛顿的万有引力理论中存在了一点儿“瑕疵”，于是他便写信向牛顿询问了这样一个问题：如果宇宙中空空如也，星体之间又会彼此吸引，那么为什么这些星体没有坍缩到一起？

这便是“本特利悖论”，而如果将这个悖论进一步推演，那么问题就更加难以回答：假如宇宙是无穷大的，其中的星体必然是无穷多的，那么星体之间的引力总和必然也是无穷大的（同时也是可以远距离相互影响的），可是这股无穷大的引力为什么没有把星体扯碎呢？

即便是拥有当时最聪明大脑的牛顿也觉得这个问题非常棘手。他在回复本特利的时候老实地回答：“至于引力的原因，我不打算假装知道，并且我会因此花更多的时间来思考它。”（for the Cause of Gravity is What I do not pretend to know, and therefore would take more Time to consider it.）牛顿更愿意认为引力乃是“天生如此”，或者说，在上帝创造世界的时候，引力便已经如此了——星体之间的引力相互作用维持着某种微妙的平衡，使得星体恰好不被引力撕碎。

牛顿的《数学原理》，牛顿就是在《数学原理》的注解中承认自己不知道引力起源的

至于宇宙中的引力是否无穷大，牛顿则求助于他的另一项数学成就——“微积分”。学过微积分的人都知道“极限”这个基本概念，即一个“可以无限接近，但永远无法企及”的界限。星体之间的引力可以相互作用，彼此可以抵消掉一部分，因此即便宇宙之中有无穷多个星体，但是引力的总和却是一个“极限”，而这个“极限”便是上帝所设立的能够维持所有星体不被扯碎的引力上限。

另外，牛顿之所以死活也不愿意承认“引力是物质的本质且内在的属性”（Gravity as essential and inherent to Matter），还有着另外一层观念上的原因。他觉得，一旦承认引力是物质的“本质且内在的属性”，那么就意味着宇宙可以凭借自身运转，从而不需要一个“外在的上帝”。

这种观念恰好符合“伊壁鸠鲁派的哲学”——古代伊壁鸠鲁派的原子理论，即认为在一个无尽的空间中，原子根据一种内在引力的法则不断地坠落，这种哲学流派自古以来一直被人们视为是“无神论”的代表。出于宗教精神，无论是牛顿还是本特利都根本不会采纳这一观点。

故而，即便牛顿归纳出了万有引力的定律——“万有引力的大小与距离的平方成反比”，他仍然不会以今人的“无神论”角度来思考他的发现。其实承认牛顿自始至终都是一个宗教信徒，丝毫不能贬损他在思考自然问题时的天才表现。更加有趣的是，可能恰好因为他对上帝性质的一些思考，使得他能够避开“以太学说”中的一些“陷阱”。

无论如何，牛顿虽然自己没有找到自然之中的引力之源，但对于其同时代的年轻人而言，他就是一个超人般的存在，在彼时那些年轻人看来，牛顿已经一劳永逸地解决了宇宙之谜。