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提交给皇家学会讨论审查。这篇论文总结了他以往在光学方面的实验和理
论,突出了他所发现的光谱现象。这对以后的科学领域产生了巨大的影响,
对于物理学、天文学、化学的发展起到了积极地推动作用。正是因为牛顿在
光谱学上的开拓性工作,为从19世纪后期到现代的原子物理学家认识物质的
结构奠定了坚实的基础。
牛顿不仅制造了反射望远镜,而且改进了显微镜,并且提出运用单色光
进行观测,这种技术已经被广泛运用到现代的实验室中。
牛顿还对薄膜的透明物质上的颜色(如云母片或肥皂泡上的颜色)作了
极为重要的理论研究。他把略微弯曲的凸透镜放在平玻璃板上,发现以这两
块玻璃的接触点为圆心的多重同心圆的色圈出现在眼前。这种现象科学上称
之为“牛顿环”,它对现代实验室的研究工作仍有着重要的意义。而牛顿用
来计算这些光环的方法,至今仍然为科学家们所沿用。
这类现象促使了牛顿对光的本质进行了深入的研究。他提出了光的本质
是微粒的见解。关于光的本质是什么这个问题,在牛顿之前,笛卡尔也主张
微粒说 (但也只是提出了假说,并非以实验为根据),而与牛顿同时代的英
国科学家胡克,以及荷兰科学家惠更斯则主张波动说。“微粒说”与“波动
说”长时间争论不休。以后的物理学家们又提出了更为完善的“电磁说”与
“量子说”。以现代科学的眼光来评价,微粒说确实不很完善;但与现代用
量子论解释光的本质,也有着相似之处——都认为光的结构基本上是原子
的。同时,牛顿也从来没有自认自己的“微粒说”就是完全正确的,他始终
认为,由于实验做得还不够充分,所以自己只不过是对光的本质提出了一些
问题,他说过:“我将留给那些认为值得努力去进一步探求的人们自己去思
考。”
1704年,牛顿把自己研究了30多年的光学写成了一本关于光学的巨著
《光学或光的反射、折射、弯曲与颜色的论述》。这本书共分三章。第一章,
首先列举“公理”与“定义”,然后讨论了一般的折射与反射,太阳光谱与
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反射望远镜;第二章,研究了薄膜的颜色,自然界里物体的颜色,光的性质;
第三章,介绍了衍射现象,论述了晶体内的双折射,解答了一些一般的自然
科学常识问题。
在这本书中,牛顿不仅总结了自己的研究体会,而且讨论到偏振光、电
现象等远远超出他所处时代的科学现象;他已经预见到了未来世纪的科学家
们以电力解释原子作用的正确途径。所以,一位著名的英国学者说过:“单
凭他在光学上的成就,牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。”
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四、深入研究万有引力
1677年,牛顿的导师和最真挚的朋友——巴罗去世了,这给牛顿带来了
巨大的悲痛。
不久,牛顿在继续进行光学研究的同时,又开始进一步研究物体间引力
和行星运动规律的问题。1679年,他和当时皇家学会的秘书胡克进行了这方
面的讨论。牛顿曾向胡克提出了一个问题请他共同思考:如何证明地球是绕
自己的轴进行着不停地自转?这个问题不一般的地方在于以前从没有人提供
过地球活动的直接证据——人们只是通过观察太阳与星星位置的变动来提出
间接的证据。
牛顿当然知道,当地球自转时,所有的东西都和它一起转——人、房屋、
树木、海洋等等。但是如何才能把这种认识与地面上的静止状态统一起来呢?
比方说向空中抛起一个球,如果它的运动方向垂直于地面,那么被抛起的球
会重新落到抛物者的手中吗?如果谁垂直向上跳起,会落在原地吗?答案都
是肯定的——球落在抛出者手中,跳跃者落回起跳地。之所以这样,是因为
有地球吸引力的缘故。由于地面上的万物同在一个体系里运转,因而它们好
像是不动的。
但是,对于距离地面相当高的地方,即距地心相当远的物体,情况又会
怎样呢?牛顿设想,在一根垂直向上延伸好几公里高的旗杆,在杆顶放一块
石头,那么经过一段时间后,这块石头所经过的圆弧肯定大于在杆下的人所
经过的圆弧。所以说,旗杆上的石头运动速度要比地面上人的运动速度快。
这与车轮在转动时,轮面上各点比车轴中心各点转得快是同样的道理。
仍将牛顿这样的理解用于这根旗杆上去,假定那块石头从旗杆顶端下落
至地面,那它会落在什么地方呢?可以肯定,它将不会落在旗杆的底部。牛
顿认为,它“不会垂直地下落……而要超出一部分地面,会朝东一点,它的
下落线应呈螺旋形状……。”在给胡克的信中,牛顿对于他认为之所以会出
现这种情况解释道:石头在下落之前,它的圆周速度要比直接在它底下的物
体要快;因为已知地球是自西向东转动的,那么,这块石头的落地点将在旗
杆与地球中心连接线以东的某一点上。
胡克收到牛顿的信后,对这个实验马上着了迷。他在皇家学会的例会上,
宣读了牛顿的这封信。会员们马上委托胡克亲自做这个实验。做实验时,胡
克仔细地研究了这个问题,得到的结论是认为牛顿并不完全对。胡克的解释
是:假如在赤道上做这样的实验,那牛顿的推理将是正确的;但如果在北半
球的一点之上,譬如说在伦敦,那实际情况又应是怎样呢?在这种情况下,
石头的落地点不但向东偏,而且还会南偏。也就是应坠落在旗杆的东南方向
某一点。胡克还认为,石头的下坠线不是如牛顿所说的是螺旋形,而是呈椭
圆上一段弧的形状下落。
虽然牛顿在信中已和胡克说好,如果他们中间对问题的思考有不同意
见,也将保留在两个范围中间,不对外公开。但胡克却不想放弃这次胜过牛
顿的好机会。在学会的下一次例会上,胡克便向会员指出了牛顿在理解上的
错误。经过实验证明,胡克所说的落体下落方向是偏向东南的,下落线呈椭
圆弧状。
牛顿当然不满胡克的违约,同时也对自己在思考问题时的不周全感到懊
悔。在自己的回忆录中,牛顿提到了这件事,“由于胡克改正了我提出的螺
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旋线的错误,使我在以后的研究里特别注意椭圆轨道;更重要的是,他对我
的这次教训,把我从别的研究里拖了出来,再次注意引力与行星运行轨道的
研究。”
是的,胡克得到了暂时的胜利。但这件事却引起牛顿作出了一系列独立
的、新的思考。
经过不懈地努力,并参考最新的研究成果。1682年,牛顿根据自己总结
的万有引力定律进行仔细地推算后,找到了行星围绕太阳运动轨道的方程
式。这个方程式告诉他,行星的轨道应该是椭圆,这一理论上的证明正与70
年前开普勒的实际观测结果相符合。如果将这一方程式公诸于世,那马上会
轰动整个科学界;然而,在找到问题的答案之后,牛顿还是按自己的老习惯,
把这些能震动世界的笔记塞进抽屉里;他既没有通知皇家学会,也没有对别
人谈起。随即,他又把精力转到了其它研究之上,把这件事给忘了。
可是,当时还有其他三个人也正在努力,希望解决这个问题。这三个人
是——著名的建筑师、数学家雷恩爵士;天文学家兼物理学家哈雷(就是他
后来推算出哈雷慧星的轨道和周期);还有胡克。在这时,哈雷和胡克已经
在实际研究中认识到了“引力按距离的平方或反比”这一规律;哈雷此时想
知道,在这种引力的作用下,行星应该在什么样的轨道上运动的问题。于是
他就请来了和自己在同一城市的雷恩与胡克,与他们一起讨论这个问题。
雷恩虽然也有敏锐的数学头脑,但他承认自己的能力还不足以解答这个
问题,只能作一些初步的研究。但求胜心极强的胡克却抱着骑墙的态度说,
天体运动的规律这一问题他早就进行过深入地探索,并已经做了理论上的研
究和论证。但是他并不想马上发表,还想做进一步的研究,等别人没有解决
时他再宣布,从而使别人明白他研究的价值。
冬去春来,春去夏来,半年多过去了,但胡克仍然没有兑现他的夸口。
到了1894年8月,哈雷无法再等下去了,他决定去找英国另一位有能力解答
此问题的人——伊萨克·牛顿。此时的牛顿,早已是剑桥大学的教授并誉满
英国科学界了。于是,哈雷从伦敦赶赴剑桥,开门见山地向牛顿问道:“牛
顿先生,当一颗行星受到与距离平方或反比递减的引力吸引,那它的运行轨
道应该是什么样的呢?”牛顿毫不迟疑地回答:“椭圆。”哈雷接着问道:
“那您是如何得知的呢?”“因为我已经计算过了。”牛顿又回答道。
哈雷听后,愣住了,随即他请求牛顿立刻把计算稿给他看。当然,哈雷
想要的计算稿就是那些已被牛顿搁在一边的笔记,但牛顿早已经记不清到底
放在哪里了。在找了半天还没找到后,牛顿向这位年轻的来访者表示了歉意,
尽管哈雷比自己小 14岁,名声也不如自己;他还表示将把论证重新计算一
遍,随后寄给在伦敦的哈雷。三个月后,牛顿履行了