书城科普读物科学奥秘丛书-科学人物
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第4章 物理学家(2)

伽利略又把望远镜对准横贯天穹的银河,以前人们一直认为银河是地球上的水蒸气凝成的白雾,亚里士多德就是这样认为的。伽利略决定用望远镜检验这一说法是否正确。他用望远镜对准夜空中雾蒙蒙的光带,不禁大吃一惊,原来那根本不是云雾,而是千千万万颗星星聚集一起。伽利略还观察了天空中的斑斑云彩——即通常所说的星团,发现星团也是很多星体聚集一起,像猎户座星团、金牛座的昂星团、蜂巢星团都是如此。

伽利略的望远镜揭开了一个又一个宇宙的秘密,他发现了木星周围环绕着它运动的卫星,还计算了它们的运行周期。现在我们知道,木星共有14颗卫星,伽利略所发现的是其中最大的四颗。除此之外,伽利略还用望远镜观察到太阳的黑子,他通过黑子的移动现象推断,太阳也是在转动的。

一个又一个振奋人心的发现,足使伽利略动笔写一本最新的天文学发现的书,他要向全世界公布他的观测结果。1910年3月,伽利略的著作《星际使者》在威尼斯出版,立即在欧洲引起轰动。

伽利略的晚年是非常悲惨的。这位开拓了人类的眼界,揭开了宇宙秘密的科学家,1637年双目完全失明,陷入无边的黑暗之中。他唯一的亲人——小女儿玛俐亚先他离开人间,这给他的打击是很大的。但是,即使这样,伽利略仍旧没有失去探索真理的勇气。1638年,他的一部《关于两门新科学的讨论》在朋友帮助下得以在荷兰出版,这本书是伽利略长期对物理学研究的系统总结,也是现代物理的第一部伟大著作。后来,宗教裁判所对他的监视有所放宽,他的几个学生,其中包括著名物理学家、大气压力的发现者托里拆利来到老人身边,照料他,同时也是向他请教。他们又可以愉快地在一起讨论科学发明了。

1642年1月8日,78岁的伽利略停止了呼吸。但是他毕生捍卫的真理却与世长存。具有讽刺意味的是,300多年后的今天,1979年11月,在世界主教会议上,罗马教皇提出重新审理“伽利略案件”。为此,世界著名科学家组成了一个审查委员会,负责重新审理这一冤案。其实,哪里还用得着审理什么呢?宇宙飞船在太空飞行,人类的足印深深地留在月球的表面,人造卫星的上天,宇宙测探器飞出太阳系发回的电波……所有这些现代科学技术的进步,早已宣告了宗教神学的彻底破产,人类将永远记住伽利略这个光辉夺目的名字。

牛顿

从“低能儿”到少年发明家

300多年前的一天,在英国一座山村普通住宅里,诞生了一位体重只有3英磅的婴儿。大家都认为这个孩子没什么存活的希望,产妇的不幸不仅来自这个体轻瘦弱的婴儿,而且还来自不久前故去的丈夫,她再也按捺不住内心的苦楚,她哭了,母亲的眼泪引起了小男婴的共鸣,他使出浑身力气却只能发出微弱的哭声。

这个先天不足的遗腹子就是后来成为科学巨人的牛顿。

小牛顿两岁后由外婆抚养,6岁时走进乡村小学。他体弱多病,性格腼腆,学习成绩全班倒数第几,老师把他看成“低能儿”,顽皮的学生也欺侮他。但是,牛顿意志坚强,有一股不服输的劲头。据说,一次有位功课拔尖的调皮大王朝牛顿的肚皮踢了一脚,牛顿遭凌辱后,暗自鼓起勇气,非要从功课上超过这个小霸王不可。他告诫自己说:“无论做什么事,只要肯努力,是没有不成功的。”经过刻苦学习,牛顿一跃而为全班第一名。

牛顿对学校老师讽刺、嘲骂甚至鞭笞学生的行为极为不满,他曾对外婆说:“学校是个奇怪的地方,我很讨厌到学校去。”玷污“学校”这一神圣名称的所作所为,给牛顿幼小的心灵蒙上一层阴影。他开始把主要精力用于课余生活,他喜欢亲自动手制作玩具,搞些小发明,也喜欢绘画和做诗。

在牛顿的住房里,锯子、凿子、刨刀、铁锤应有尽有。他就是借助这些工具,提高了技能,拓宽了知识,还增强了体质。

秋风将树叶和树枝吹得飘落满园,牛顿好奇地捡起一根干树枝,并将它竖直地插在朝阳的地面上,他每隔一段时间趴下去看看树枝的影子。“小牛顿,该吃饭了!”外婆亲切地呼叫着自己的外孙,“外婆,我想还不到吃饭的时间,至少比昨天早30分钟。”牛顿十分自信地回应着外婆的呼唤。“你怎么知道的?”“昨天在这里,今天是在这里啊!”牛顿指着地面上的阴影说。

冬天到了,庭园里显得那样沉寂和干净,牛顿观察“影子”的工作还没有停止。他突然发现庭院角落里的几块大石头,从而萌生了新的念头。放学以后,牛顿拿起了凿子和锤子在一块石头上“吭吭”地敲凿起来。不怕寒风刺骨,也不顾石头粉末溅入眼帘的痛苦,牛顿日复一日地敲凿。善良的外婆看着外孙冻红的小手、伤痕斑斑的脸蛋,再也抑制不住多日来积下的疑问:

“小牛顿,大冷的天气你没完没了地敲凿,究竟想干什么啊?”“马上会知道的,外婆!”牛顿头也不转地回答。小牛顿的耐性和自信,深深打动了外婆的心。

一天中午放学后,小牛顿飞奔归来并大声呼叫:“外婆!请来帮帮忙。”

一位9岁的瘦弱少年和一位年过六旬的老妇,同心协力,成功地把一块石头圆盘竖立起来,并斜靠在墙上。看着外孙几十天的智慧结晶,外婆绽开了笑容:“好极了!好极了!它是一个精致的日晷仪。”

牛顿幼年时代制作的日晷仪,至今仍然原状保存在英国柯斯达教会,并嵌装在教堂的墙壁内。

少年的牛顿十分喜欢17世纪欧洲的风车。在那个时候还没有蒸汽机和发电机,以风车为动力的磨粉机就很复杂了。他曾历尽艰辛、长途跋涉去看风车。进入风车磨房的牛顿,如饥似渴地观察着机器的每个部分,他看得是那么入神,那么仔细,似乎想把机器的结构全部印在自己的脑海里。归途中,朋友与他说话,他竟所答非所问,全神贯注在对风车和磨粉机结构造型的回忆中。

回到家中,牛顿一头躲进自己的住房,要把白天看到的一切画在图纸上,直至深夜这一工作才完成。他把图张贴在墙上,心满意足地观赏着一天的劳动成果,在暗淡的烛光中,牛顿显露出难得的笑容。

鼠疫的影响

正当牛顿他陶醉在数学迷宫中的时候,英国发生了一件大事:鼠疫流行。这种令人惶恐的传染病传播起来非常迅速,死者成千上万。

1665年8月一个酷热的日子,牛顿的同窗好友威尔士从伦敦返回剑桥大学。一进宿舍,就摇着正在专心读书的牛顿的肩膀喊着说:“事情不好了!

伦敦正因鼠疫陷入大混乱!”“数学花园”的主人缓缓抬起头来,愣愣地看着惊惶的室友:“这是伦敦的事情,与我们有什么关系?”牛顿低下头去,仍沉湎在攻读之中。“伦敦离我们很近啊!这座几十万人口的大都市,街道上静悄悄的不见人影,大家都躲在家里不敢外出。上周就死了7400多人。”

威尔士就耳闻目睹,愈谈愈激烈。牛顿终于不得不抬起头来,脑中却同时想着“光的色散”和“鼠疫流行”这两件事。

恐怖的黑死病(即鼠疫)风暴在横扫伦敦之后,蔓延到了剑桥,学校不得不关闭而停课。牛顿随着逃难的队伍回到自己的家乡沃尔索浦。

随着剑桥大学的关闭,研究学问之火也暂告熄灭。有的教授和学生被鼠疫夺去了宝贵的生命,活着的人也是在乡下过着无聊的生活。牛顿则不同,他在家乡研究学问的劲头一点也不亚于大学。他回到家乡的第二天,就把住房变成了实验室。从剑桥大学带来的棱镜、凸透镜、凹透镜、平面镜、球面镜、方解石、望远镜等等,真是应有尽有,琳琅满目。牛顿等不及阳光从窗口射入,便开始了“光的分解”的实验,一束白光透过三棱镜变成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光,映射到雪白的墙壁上,格外生辉。

牛顿不赞成某些学者从理论到理论的研究方法,而是想方设法制作仪器,用观察和实验的手段去探索规律、检验理论。为了深入了解天空中“虹”的成因,他靠勤劳的双手和精巧的技艺硬是把一块铜板磨洼而成凹面镜,并制造出放大40倍的望远镜。科学界为了纪念他,决定将这种构型的望远镜定名为:牛顿反射式望远镜。

富有浪漫主义色彩的“苹果落地”的故事,据说也发生在牛顿的家乡沃尔索浦。在鼠疫流行的第二年夏季的一天,天气酷热,牛顿来到庭院,坐在一棵苹果树下思考着地球的引力问题,突然一个苹果从树上掉下来。对于这种理所当然的事情,竟激起他思潮翻滚,他想苹果在空间,哪一个方向都可飞去,为什么偏偏坠向地面。地球与苹果是相互吸引的,整个宇宙万物间都应有这种引力的作用。

大概是“因祸得福”吧!牛顿回乡的18个月,竟成为他一生中最丰产的“季节”。在回忆这一段生活时,牛顿曾经写道:

“1665年,我发明了极数近似法,以及把任何幂的二项式化为这样一个极数的法则。同年,我还发明了格雷戈里和斯卢塞乌切线法。11月,我发明了正流数(微分)法。次年元月,发现了颜色理论;5月,开始研究反流数(积分)法。还是在这一年,我开始想把重力推广到月球的运行轨道上去。并得出引力与中心距离平方成反比的规律。所有这一切都是在1665~1666年鼠疫流行的年代里取得的。因为那两年我有充沛的精力去搞发明创造,而且比以后任何时候,我都更致力于数学和哲学的研究。”

多年的“修炼”

1661年5月,牛顿以“减费生”的身份考进了剑桥大学。“减费生”,这是人们给那些得到某些优惠的穷学生的尊称。为此,他们得按照校方规定,殷勤地为那些富家子弟服务。牛顿上大学时的年龄比一般大学生大4~5岁,人们把他看作是一个晚熟的人。

牛顿的大学生涯并不舒心,可以说是坎坷不平。从入学的当天晚饭起,牛顿便开始了工读生的劳动。“牛顿同学,请布置餐桌。”一位老工读生对他说。身着白色长袍,腰系围裙的牛顿,从另一位工读生那里接来堆得高高的42张盘子。厨房里冒出的蒸汽弥漫全屋,由于光线太暗,牛顿抱着盘子不敢走动。一个人厉声喊道:“快拿蜡烛去吧!”在这里,工读生的一举一动、一言一行都要十分小心。为了求得学问,牛顿认为当工读生也是值得的。

由于学校经费紧张,房屋得不到修缮,工读生的宿舍阴暗潮湿。回宿舍的路上,牛顿在迂回弯曲的走廊里怯怯地走着,好像通往一个永远黑暗的世界。牛顿对于剑桥大学的向往与亲临目睹的现实形成强烈的反差。但是,所有这些,对于习惯于贫穷的牛顿构不成任何威胁。最令他烦恼的却是学习愿望得不到满足,牛顿本来是抱着学习“力和运动方面”的知识来到大学的,当时的剑桥大学却没有人能讲授这门课,牛顿只好先学数学。

走廊的阴暗,食宿的低劣,劳动的艰苦很快被牛顿置于脑后。他的心在衡量,看学校里的哪个人最令他“惊异”。牛顿推开房门,巴罗教授满脸笑容地迎接他。巴罗教授好像预感到牛顿的心思,便以安慰的口吻对他说:“学校是靠会员的会费维持的。由于革命的动乱,失去了许多大力支持的会员,去年复归王政,情况才稍有好转。不过,要恢复昔日盛况,恐怕得花几十年工夫呢!”“老师,我觉得学欧几里得几何,简直是多余的。”牛顿把话题一下子转移到意外的方向。教授以锐利的目光注视着牛顿的眼色。

不久,牛顿引起了巴罗教授的注意。牛顿最突出的地方,是他对当时自然科学和数学的尖端成就有着快得出奇的理解能力。巴罗教授十分谦虚地说过,他对数学虽略有造诣,但和牛顿相比,只能算是一个小孩。

巴罗教授不愧是一位多才多识的“伯乐”,他发现了牛顿;牛顿也找到了令他“惊异”的人。师生协作得很好,巴罗教授指导牛顿先后钻研了开普勒的《光学》、欧几里得的《几何学原本》等名著。牛顿的非凡才华和惊人的毅力,使得他在光学、几何学的研究方面取得一些突破性进展。1665年牛顿大学毕业,取得学士学位,在巴罗教授的举荐下,牛顿留校做研究工作。

正当牛顿夜以继日、通宵达旦地学习和研究,并即将取得硕果的时候,一场鼠疫灾难席卷英国,牛顿被迫回到家乡。

1667年复活节前后,牛顿重返剑桥大学,当年秋天他被选为选修课研究员;1668年3月被任命为主修课研究员;同年被授予硕士头衔;1669年成为数学教授,时年27岁;同年,巴罗教授为了让牛顿晋升而辞去自己的职务,牛顿担任了卢卡斯讲座教授这一崇高的职位。

自1661年牛顿进入大学起,至1696年离开大学止,他一直生活在剑桥大学,在这漫长的35年中,牛顿写下了许多名著。1687年出版的《自然哲学的数学原理》,开创了自然科学发展史的新时期。牛顿工作勤奋,很少在半夜两三点钟以前睡觉,并且35年如一日。他的助手汉弗莱在回忆牛顿时说:“在他看来,如果时间不用在学问上,那简直是犯罪。”他整天钻在研究室里,很少出来。牛顿沉默寡言,终生没有结婚。