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倫敦發生瘟疫,一位青年回鄉隱居,意外開創了人類科學「奇蹟年」

2月
03
2020

2020年2月03日08時 小玲談歷史

小玲談歷史

面對未知傳染病,隔離無疑是最有效的做法,連古人也懂得這個道理,也會選擇閉門隱居的方式躲避瘟疫,而且科學史上,有不少改變人類歷史的科學成果就是在瘟疫蔓延時創造的,這其中最成功的要算英國科學家牛頓。

牛頓銅像

牛頓因為躲避瘟疫而回家,他一生中的三大科學貢獻分別是微積分,萬有引力定律和光的分析,均在這段時期完成,這創造了物理學歷史上的「奇蹟年」。今天就來談談這段充滿傳奇色彩的科學軼聞。

倫敦大瘟疫

1664年年底,倫敦爆發了一種神秘的傳染病,起初只在個別人之間傳播,到次年春季,即1665年4月,就在人們認為傳染病幾乎消失之時,疾病已悄悄蔓延至好幾個區。隨著炎熱天氣到來,瘟疫的傳染越來越嚴重,逐漸從城東朝城西推進,市政府已經沒法再隱瞞病情,而隨著傳染病癒演愈烈,有些教區的運屍車幾乎通宵奔忙。

由歷史畫家麗塔格里爾所繪大瘟疫時期倫敦街頭的悲慘景象

讓倫敦數以萬計的人痛不欲生的瘟疫,是鼠疫,與薄伽丘《十日談》開篇描繪的那種傳染病一模一樣。染上此病的人,身上會出現黑色腫塊,然後頭痛,嘔吐,往往很快死去。有些人甚至不知道自己染上了病,在街上行走或在集市里購物時,突然倒斃,被人扒開衣服,發現身上布滿黑點。患者通常是在脖頸、腋窩和外陰部出現這種黑色小腫塊,這是史書中屢屢描述的歐洲「黑死病」症狀。在1665年倫敦大瘟疫高峰時,最恐怖的還不是患者發瘋癲狂或暴屍街頭,而是大量的人被強行鎖在自家屋子裡,門上畫上紅十字,像是活活被關進墳墓。

在2000倍顯微鏡觀察下的鼠疫桿菌,這些細菌由跳蚤攜帶與傳播,與多種傳染病有關

最終,超過10萬人死於這次瘟疫之中,足足相當於當時倫敦人口的五分之一。英國文學家笛福出版於1722年的《瘟疫年紀事》以生動的筆觸描述倫敦大瘟疫的可怕景象,告訴我們這段被遺忘的歷史,而大科學家牛頓的三項偉大發現,正是在這樣的大背景下創造的。

物理學史上的奇蹟年

1665年,在劍橋大學讀書的牛頓首次發現了二項式定理,這個發現對歐洲數學界產生了很大的震動。同年4月,牛頓被授予了文學士學位。因為獲得了學校的獎學金,他得以繼續留在劍橋攻讀碩士學位。

劍橋大學紋章

這年6月初,倫敦的鼠疫疫情已經非常嚴重,一時間整個倫敦人心惶惶,有錢人都逃到鄉下或國外去避難了,街上滿是無人清理的死屍。疫情很快橫掃整個倫敦城,大有往劍橋蔓延的趨勢。於是劍橋大學接受政府的命令,宣布停課,學生們都收拾行李去鄉下了,8月,牛頓收拾好行李,返回了闊別四年的故鄉。

所謂「兒行千里母擔憂」,當牛頓背著行李回到自己家的那幢二層小樓前時,迎接他的是滿含著激動淚水的媽媽,漢娜說:「親愛的,聽到你回來的消息,我激動的一夜沒睡,房間早已經收拾好了,快,坐下歇歇吧!」

「恩,媽媽,我也好想你的!」是啊,都有四年沒見過媽媽了,看著媽媽頭上新添的幾縷白髮和被田間勞作累的彎彎的腰,牛頓的眼睛濕潤了,他突然好難受。

牛頓出生的房子,位於英格蘭林肯郡伍爾索普

很快,牛頓便適應了在家裡的生活,這裡沒了學校里的約束,一熱三餐又有母親精心料理,他可以更好地支配自己的時間,做自己喜歡做的事情了。

這場罕見的鼠疫持續了將近十八個月,這期間除了回劍橋圖書館查過一次資料外,牛頓一直都待在家中。這麼長的一段時間對不同的人有不同的含義:對疫區的人來說,這是一場漫長的煎熬;而對一些停課在家的學生來說,則是絕佳的一個玩耍時機;而對牛頓來說,這則是一個搞研究的絕佳時機,清靜悠閒的鄉村環境提供了良好的思考場所,而慈愛的媽媽有給了她最佳的照顧,而此時的他也充滿了創造的熱情,這段時間,即1666年,被譽為科學史上的奇蹟年,因為這麼短的時間內,牛頓的發明幾乎改變了整個世界,它的發現使人們對周圍環境有了重新的認識。

牛頓就讀過的劍橋大學三一學院

牛頓一生中的三大科學貢獻分別是微積分,萬有引力定律和光的分析。這些偉大構思都是在這短短的18個月中孕育出來的,牛頓其後的工作。不過是對這些偉大思想的完善和優化罷了。當瘟疫過後,牛頓不知不覺已經成為當時世界上最偉大的自然哲學家,儘管當時他還不足25歲。

這張圖涵蓋了牛頓的幾項偉大發現

牛頓曾說:「如果說我比一般人看得更遠些,那是因為我站在了巨人們的肩上。」牛頓說到的這些巨人包括了波蘭的哥白尼、丹麥的第谷、第谷的徒弟開普勒以及義大利的天文學家、哲學家伽利略等。讓我看來看看這位站在巨人肩膀上的年輕人,都做了哪些創造性工作吧!

啟迪智慧的蘋果

如前所述,從1965年8月開始,牛頓為躲避鼠疫回到家鄉伍爾斯索普村,在這裡一住就是18個月,這是近代科學史上極其光輝的兩年,因為牛頓後來的三大發現,都是由此開始萌芽的。

牛頓在鄉下生活期間,一直在梳理大學學習中碰到的種種謎團,他的全副身心一直被物體運動的問題占據著。牛頓知道,哥白尼提出了地球繞日運轉;開普勒找到了行星運轉的規律;伽利略證明了行星的運轉。可是它們為什麼要那樣運轉?巨人們並未對此做出過明確的回答。

牛頓畫像

為了解開這個謎團,牛頓翻遍了有關天體運行的書籍,卻僅僅找到了一種近乎幻想的說法:人們認為天體間有引力存在,而引力則是按照神的意志,給予物質各部分的自然屬性。

天體運行難道真是引力作用的結果?那麼引力又是什麼呢?牛頓一直在想著這些問題。有一天傍晚,沉思中的牛頓一個人躺在後院園子裡的蘋果樹下,蘋果樹上掛滿了成熟的紅蘋果,空氣中充滿著沁人心脾的果香,對此,牛頓全然不覺。

牛頓和蘋果

突然,「吧嗒」一聲,樹上一個熟透了的蘋果被風吹落在地上。牛頓的思路一跳:「咦!蘋果為什麼不往天上掉?難道是地球的引力在吸引著它?!可是月球不是也受到吸引嗎?它為何不會落到地球上呢?」

蘋果激發了牛頓的靈感,他立即就此問題展開了聯想:一個人站在山崖上,把一塊石頭輕輕地拋出,石頭就會落到不處的地上;如果他用的力更大,石頭就會落得更遠;若力足夠大時,這石頭就將不再落到地面上,而是圍繞地球旋轉起來;要是地球沒有引力,這石頭就會朝著他拋出的方向照直飛去。

人造衛星能飛上天要歸功於牛頓力學的理論指引

推而廣之,牛頓認識到,旋轉的物體有一種從轉軸處脫離出去,沿直線運動的傾向。只要牽引的力量和脫離的力量處於相對平衡狀態,旋轉的物體就可以保持在一定的軌道上運轉。這種現象就好比一個小孩用手拉著一根另一頭拴著小石頭的繩子在空中轉圈一樣,石頭不會掉下來也不會飛出去。月球也一樣,它被地球無形的吸引力(也叫向心力)拉著,使它保持在一定的距離上(也叫軌道)繞地球轉動,而這種吸引力的大小恰好是適當的。

牛頓豁然開朗:只要證明地球對月球的吸引力確實就是月亮繞地球運行所需的向心力,那麼行星之間都有相互吸引力的結論就是正確的了。

太陽系示意圖

不過要證明這個問題,首先要弄清天體引力的大小和距離之間的關係,牛頓根據開普勒行星運動第三定律的結果做出假設:物體間引力的大小同物體間距離的平方成反比。這便是牛頓著名的「萬有引力定律。」可是要用數學來證明這個定律卻困難重重,因為的歐洲代數學的發展相對緩慢,為此牛頓不得不又花費大量的時間在數學上,這或許也是他創立微積分的一個原因吧,雖然他創立的微積分幫助他成功計算出了結果,但是讓人失望的是,這個結果和他直接觀測的結果相差約16個百分點。

實際上,計算值和實際值之間的差異是因為牛頓當時採用的地球半徑值是不準確的,不過這也不能怪他,當時他沒有資料可以查找。這個結果無疑讓他很失望,不過他並沒有沮喪,他索性把這個研究放在一邊,轉而著手解決其他問題了。

被稱為牛頓蘋果樹後代的一顆蘋果樹,發現於劍橋大學三一學院

如今,牛頓因看到蘋果落地而受到啟發導出了萬有引力靈感的故事被廣為流傳,它完美地象徵著通過觀察普遍事物就能突然湧現靈感的概念革命。牛頓故居後園裡的蘋果樹也就自然受到了最精心地保護著,每位來故居參觀的人,都要看看這棵樹。小小的蘋果啊,連上廣袤的太陽系,引出了一條偉大的定律,天地間萬事萬物有著多麼奇妙和神秘的聯繫呀!

微積分學和光的分析

大數學家萊布尼茨畫像

不過遺憾的是,牛頓當時並沒有發表微積分的研究成果,這為他後來和德國著名的數學家萊布尼茨發生的紛爭埋下了伏筆。把這個工作暫時放在一邊之後,牛頓轉而投入了對光學的研究。

牛頓上大學期間就對關於光的問題產生了濃厚的興趣,伽利略利用望遠鏡觀測天體的驚人成就讓他心馳神往,他幻想著自己有朝一日也可以作出一台這樣的望遠鏡並且用它揭開宇宙的奧秘。幸運的是,他大學的指導老師巴羅教授本身就是一個光學專家,他曾送給牛頓一本開普勒寫的《光學》,熟讀此書後,牛頓成功地掌握瞭望遠鏡的基本原理和關於光的反射和折射的規律,並且,巴羅教授還親自指導牛頓學會了磨製曲面玻璃鏡片的高超手藝。

伽利略向威尼斯大侯爵介紹如何使用望遠鏡,伽利略是對牛頓影響最大的科學家之一

一天晴空萬里的上午,牛頓準備待在房間裡面推算公式,為了避免外面吵鬧聲的干擾,他拉下深藍色的窗簾把窗子遮了個嚴嚴實實,剛才亮堂堂的屋子一下子變得像黑夜一樣,突然,一個現象引起了他的注意,他瞅見從窗簾布上的一個小洞裡面露進一縷細細的陽光,他自言自:「從來沒有見過這麼細的光絲呀,不知道是不是可以再將它分成好幾條細絲?」

牛頓發現稜鏡可以將白光發散為彩色光譜

牛頓就是這麼一個警覺的人,就好像他從落下的蘋果上看到了引力,他現在又覺得細細的光線隱藏著一些不為人知的奧秘。這麼想著想著,他順手從抽屜里摸出一塊自己磨製的三稜鏡,迎上去截住那絲細光,然後回頭去看這光落在牆上的影子。好奇怪呀!那牆上竟然出現一段包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光帶。他變換三稜鏡的方向,結果都會出現了長條形的彩色光帶。更奇怪的是,當他用另用一塊透鏡把經過三稜鏡折射後的光重新收集起來,竟發現它們重新匯聚為白光。

「怎麼會這樣呢,按照書上寫的折射定律圓形的孔照進來的光應該還是圓形的,可我看到的為何是長條形的光帶呢,而且這些光帶還會再匯聚為白光?」牛頓自言自語道。

雨後的彩虹

這時,他突然想到夏季雨後出現的彩虹,它猜想七色的彩虹和自己看到的光帶或許存在某種聯繫。於是他查閱了前人的書籍,前人關於這種白光被分解為不同的顏色的現象(被稱為色散想像)的解釋很模糊,有人認為這是因為玻璃的厚薄導致了透過光的多少不同才導致產生了顏色深淺不同的色帶。但是牛頓通過自己的實驗很快就否認了這種觀點。他對此進行了一系列的設想並進行了驗證實驗,很快,他領悟到一個秘密:我們平時看到的白光,其實不只是白色,它是由七種顏色的光混合而成的。

牛頓發現了光的色散現象

而且,牛頓得到這個發現以後,他立即領悟到為何伽利略製作的折射望遠鏡在觀測星空時往往比較模糊,這並非是因為人們普遍認為的缺乏合適的透鏡,而是因為光本身就是一種「折射率不同的光線混合物」。

牛頓1672年使用的6英寸反射望遠鏡複製品,為皇家學會所擁有

從牛頓對光學的獨特見解來看,此時年僅24歲的他無疑已經成為英國最優秀的自然科學家。在這麼年輕時,這麼短的時間內,作出如此巨大輝煌的成就,這在科學史上,乃至於在整個人類歷史上都是罕見的!任何一位評論家或者讀者,在提到牛頓的這段歷史時,都無不盛讚他的天才。

自新型肺炎疫情爆發後,傳播迅速,為了避免被傳播,大家都只有窩在家裡,不串門不聚會,保護自己也保護他人。大科學家牛頓能夠在躲避瘟疫期間做出這麼多震撼世界的發明,那麼,親愛的你將會在這段時間做些什麼呢?


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