从1665年5月到1666年11月,掐指一算,约为18个月。虽然在这一年半左右的时间里,牛顿没有公开发表任何理论,但是从他的手稿和日记来看,无疑让人类的认知向前迈了一大步,所以后人把1666年成为“牛顿年”或者物理学的“奇迹年”(也有人认为是1665年)。在众多理论中,微积分(流数术)的发明不过只是冰山一角。
那时候,光透过三棱镜会形成彩虹般的颜色已经众人皆知,但是并没有什么实际用途。相反,三棱镜一直都被用在魔术事业上,所以很多人都认为这是魔术师的一个把戏而已。
牛顿可能认为三棱镜不仅仅是把戏那么简单,因为三棱镜呈现出的颜色和他的一个思考的如出一辙。在三棱镜之前,他曾尝试用一个带小孔的物体挤压自己的眼睛,出现彩虹般的颜色。这个方法差点让他失去光明。看来天才不仅靠勤奋,天才还得不要命。
1665年夏天,牛顿经常把自己关在封闭的小屋子里,只留一个小孔,太阳光从小孔中直射下来。当光透过大的三棱镜时,变成五颜六色的。但是当其中一个颜色的彩色光再透过另外一个小三棱镜时,却没有变成更多的颜色。牛顿得出结论:白色的光是复合光,是由透过三棱镜的那些单色光组成的。
这个现象后来被称为“色散”。现在色散现象都已经走进了小学甚至幼儿园的教材里。然而在那个年代,凭这个观点写一篇论文的话足可以获得博士学位了。牛顿实际上已经是一位世界最前沿的数学家和科学家了,只是无人知道而已。
在婆娑完三棱镜之后,牛顿对制造业有了很大的兴趣。经过反复的思考,牛顿发明了一种新的望远镜。这种望远镜居然不需要凹凸镜,也不需要变形的透镜。完全靠的是光的反射。所以称之为反射望眼镜。
前面说过,伽利略和开普勒都独立发明了的望远镜,但是都遇到了同样的问题——庞大,所以一般高清的望远镜的都是装置阁楼上,用于航海的都要在清晰度和大小上取个折衷,更别说随身携带了。而牛顿恰恰改变了这点,他的望远镜很小很清晰,在效果相同的情况下,体积缩小到原来的1/10,这成为了航海家们的不二之选,下一个更有用的仪器叫GPS。这就像计算机的发展史一样,当初胖的连几层楼都装不下,到后来可以“抬”到家里,如今只需要占据书桌的小小一方。愣是这样,人们还嫌它太大了,于是把它设计成放在手掌放进口袋中了。正是:旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家。
再回到运动力学上来,伽利略算是解决了一半以上的问题,但是还没能一锤定音——定量分析,而这些正是牛顿上大学列在小纸条上的内容。此时牛顿还是每天都强迫着自己思考这些问题,估计也没少重复伽利略铜球实验。
1665年,他得出了著名的三大力学定律:
1.牛顿第一定律:一切物体在没有受到外力作用的时候,总保持匀速直线运动或静止状态;也成为惯性定律。
2. 牛顿第二定律:物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。可以用公式表达:F=m×dv/dt。这是牛顿用微分语言描述的公式,翻译成普通话:F=ma,其中F是外力,m是质量,a就是伽利略提出的加速度。
3.牛顿第三定律:作用力和反作用力分别作用在两个物体上,它们的大小相等、方向相反、作用在同一直线上,且同时消失同时存在,性质相同。
基本上,动力学问题都可以用力学定律回答了,小到蚂蚁搬家,大到火箭上天,以及地震、火山、海水倒灌等等尽释于此。但是还有个小小的问题——重力。
重力也是力,也附和三大定律中的每一条,而且伽利略对动力学的研究也恰恰是从重力出发的。但是重力又不和普通的力一样,重力可以远距离作用,不挨着就可以作用,而普通的力则必须零距离接触,如果有什么“隔空取物”、“踏雪寻梅”,要不就是在魔术里,要么就在武侠小说里,要不就是借助了空气。可能亚里士多德也认识到这点,所以认为重力是物质的固有属性,不可与其他力同日而语,但是这又违背了“万有理论”的精神:假如真是上帝创造了万物,那么他老人家一定不会厚此薄彼。
当然,自然界还有一种力也不需要零距离才能作用的,比如磁石的磁力,这可能是开普勒认为天体之间的吸引也如磁力一般,故而命名为“磁力”的缘故吧。
笛卡尔更近一步,旧事重提的引入了古希腊人的“以太”,他认为天体之间存在“引力”,这个引力通过以太传播,只是传播方式和开普勒的定律有些不符(请看上上回)。
我想此时的牛顿的大脑袋里肯定被普通力、重力、天体之间引力完全占据。对于重力,从伽利略时代开始,人类就逐渐掌握了一点:离地球越近引力越大(因为重力加速度大),所以高山上的自由落体比地面上的要慢一点,这和天体之间的引力有什么关系呢?请看下回分解!