16 這是怎麼了：牛頓
我想知道你是不是見過和艾薩克．牛頓一樣聰明絕頂的人，反正我是沒見過。不過，你倒有可能見過和他一樣令人不悅的人。他脾氣暴躁，幾乎對所有人嗤之以鼻，而且覺得所有的人都和他過不去。他作風隱祕、自負，甚至能忘了吃飯。他的缺點不勝枚舉，但是，他智慧過人、無人能及，即便他的思想和文集讓人琢磨不透，他的才智依舊永載史冊。
無論怎麼評價，艾薩克．牛頓（Isaac Newton，一六四二－一七二七）都不是討人喜歡的人。他的童年相當悲慘，出生前失去了父親，出生後遭母親遺棄。母親一改嫁就把他扔在了外祖父母家。他恨繼父，討厭外祖父，也不太喜歡母親和外祖母。事實上，他從小就不喜歡和人交往。他喜歡獨處，是個少年老成的孩子。那時，他住在林肯郡，天資聰穎，所以被送到了離家不遠的格蘭瑟姆中學學習。在學校，他認真學習了拉丁文（他的拉丁文寫作和英文一樣得心應手），但也花了大量時間製作鐘錶模型、機械工具和日晷。
一六六一年，他進入劍橋的三一學院，照樣我行我素。他原本應該認真學習亞里斯多德和柏拉圖等先賢的著作，但他只是敷衍了事（他習慣一絲不苟地記筆記，所以我們透過筆記便知道他讀過什麼）。他真正的興趣在近代：笛卡兒、波以耳和其他新科學的代表人物。博覽群書固然不錯，但牛頓想要靠自己。他設計了很多新的實驗，不過他最大的智慧體現在數學，以及利用數學解析宇宙的深層奧祕之上。
牛頓在短短幾年裡不可思議地創造出了多項理論。這麼高的效率，除了愛因斯坦（參閱第三十二章）之外再無人能及。牛頓創造奇蹟的時間集中在一六六五年和一六六六年英國瘟疫盛行的年代。當時劍橋大學讓學生停課回家，牛頓有時會待在母親在林肯郡伍爾索普的家中。就是在那段時間，他看到母親花園裡成熟的蘋果紛紛落地。事情或許沒有傳說中那麼戲劇性，不過確實讓他聯想到一個懸而未決的問題：為什麼所有東西都會掉到地上呢？
站在巨人的肩膀上那段期間，他忙於各種科學研究。以數學為例，伽利略、笛卡兒和很多自然哲學家（也就是科學家）一直在促使數學作為一門獨立學科出現，尤其希望把它作為檢驗觀察和實驗結果的手段。牛頓靈活地運用數學進行科學研究，是一位實至名歸的數學大家。在用數學方式描述物體運動和重力的時候，代數和幾何已經不夠精確。你必須要考慮到非常短的時間單位和運動單位：事實上，就是無窮小。在計算出膛的子彈、從樹上落地的蘋果和圍繞太陽運動的行星時，必須要代入最短有效時間內它們所經過的距離。很多先前的自然哲學家早就意識到這個問題，並且各顯神通。但二十多歲的牛頓用自己的數學方法獨闢蹊徑，並將此命名為「流數法」（method of fluxions），取事物不停地變動之意，這就是我們現在所說的數學分支——微積分。一六六六年十月，在洋洋灑灑地完成一篇論文之時，他知道自己站上了歐洲數學的顛峰。無奈曲高和寡，他並沒有立刻將研究公諸於世，僅是在獨自享用之餘和幾個熟人分享了他的方法和結論。
除了數學，牛頓也研究起了光學。從遠古時代開始，人們一直認為陽光是白色、純淨、同質的（由同一種物質組成），有時它之所以看上去五顏六色，是因為這種本質純淨單一的光線被改變了。牛頓拜讀了笛卡兒關於光線的作品，重複了他的一些實驗。廣為人知的一個實驗是，他準備了多組鏡片和一個能折射光的玻璃稜鏡，讓一小束光射進漆黑的房間，透過稜鏡打在二十二英尺（大約七公尺）外的牆上。如果光如笛卡兒等人所想是同質的，那麼牆上的投影應該是一個白色的圓圈，和透光孔一樣的形狀。結果出人意料，出現在他眼前的竟是一條色彩斑斕的寬帶。牛頓沒想到會出現一條彩虹，不過，他已經踏上了揭祕之路。
在瘟疫肆虐的那些年，牛頓從事的研究也推動了力學的發展：運動定律誕生了。我們知道伽利略、克普勒、笛卡兒等人對炮彈發射和地球繞太陽轉的運動已經形成了一套理論（也提出了數學公式）。羅伯特．虎克同樣對此十分感興趣。牛頓研讀了他們的文章之後闊步前行。他曾寫信給虎克稱：「如果我取得了什麼進步，那是因為我站在巨人的肩膀上。」你還記得父母把你扛在肩頭的感覺嗎？你突然長高了兩、三倍，眼前盡是自己本來看不見的各類景色。牛頓就是從這裡起步，他的比喻栩栩如生地說明了每一個研究者、每一代科學家都在溫故知新中受益。引古博今是科學的基礎。
牛頓本身就是一位巨人，當然他自己也知道，所以當他感到被忽視的時候，麻煩來了。牛頓把最初的光學論文寄給皇家學會，而皇家學會把論文轉交給做過相同研究的虎克審閱。這就是我們稱為「同儕審閱」的慣例，現在很多優秀的科學期刊仍沿用此法，科學家們也對這種公開的氛圍大為讚賞。可是牛頓一點也不喜歡虎克的評語，他甚至遞交辭呈放棄皇家學會研究員的身分以示抗議。皇家學會不動聲色地駁回了他的辭呈，但牛頓和虎克就此結下了梁子。
一六六〇年代，牛頓爆發了驚人的創造力，隨後他把注意力轉向鍊金術和神學等其他事物。他一如既往地認真做讀書筆記和實驗紀錄，給想要瞭解他思路的後人留下了文字檔案。那時，他的這些想法和實踐都隱而不顯，尤其是他的宗教觀點更與英國教會的教義背道而馳。劍橋大學要求學生遵從教會的教義。牛頓在大學裡有強力的後臺支持，所以沒有經過宣誓就被三一學院接納，後來並被授予盧卡斯數學教授席位，他帶著這個頭銜度過了二十多年歲月。這是牛頓之幸，更是科學之幸。不幸的是他的學生，他們聽不懂牛頓在講什麼。有時候，牛頓的課堂空無一人。他侃侃而談那些高深莫測的話題，比如光學和運動，卻從來不提他私下鑽研的鍊金術和神學——也許這些更能引起學生的興趣！
直到一六八〇年代中期，牛頓在數學、物理和天文學方面的研究才逐漸為世人所知。他筆耕不輟，但是出版成書的卻寥寥無幾，因為他總是說他的科學作品是寫給自己獨享的，或者作為遺產留給後人。
一六八四年，天文學家愛德蒙．哈雷（Edmund Halley）到劍橋拜訪牛頓。（哈雷彗星就是以他的名字命名的。據推算，二〇六一年它將再一次光顧地球。）他和虎克一起討論過一個物體繞另一個物體轉動時的軌跡圖形（例如，地球圍繞太陽轉，以及月亮圍繞地球轉的軌道）。他們研究重力是否影響物體的路徑，我們現在稱之為「平方反比定律」。重力只是這項定律中諸多因素之一，顯示重力隨兩物體間距離平方值的加大而變弱；反之，當距離變小時，重力同比例增大。這種吸引的作用力是相互的，兩物體的大小也是決定因素之一。比如，一個物體是地球，非常巨大，另一個是蘋果，小到微不足道，那麼地球將施放幾乎全部的引力。在第十二章中曾講到伽利略利用「平方」解釋過自由落體，後面我們還會陸續看到它的應用，自然界似乎很喜歡用「平方」把事物連接起來，無論是時間、加速度還是引力。所以當你用到平方的時候（寫成3×3＝9，或者32），想像一下「自然」會心的微笑吧。
哈雷的到訪中斷了牛頓對神學和鍊金術的迷戀。他轉入正軌，並且開始撰寫他最重要的、科學史上最偉大的書籍之一：《自然哲學的數學原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica，牛頓用拉丁文撰寫），現在我們簡稱為《原理》（還記得嗎，「自然哲學」是「科學」的舊稱）。在書中，牛頓詳細講解了他對新數學的應用，還用數字代替文字敘述解釋了諸多物理原理。但是此書晦澀難懂，在牛頓的有生之年，只有為數不多的幾個人能輕鬆讀懂。不過書中傳遞的訊息廣受讚許，為觀察和描述宇宙鋪設了一條全新之路。
用數學和物理概括出放諸四海皆準的定律牛頓寫進《原理》一書中著名的三大運動定律，融入了他對世界和天體的大部分觀點。他的第一個定律表明任何物體在不受任何外力時，總保持等速直線運動或靜止狀態，直到有外力作用迫使它改變這種狀態為止。例如，如果沒有風、雨或人等運動的外因，山邊的岩石將永遠一動不動；如果它被推動了，那麼在沒有干擾力（摩擦力）的情況下，它也將一直沿直線滾動下去。
他的第二個定律闡述了外力可以改變運動物體的速度和方向。改變的力度取決於外力的大小，改變的方向沿作用力方向進行直線運動。假設空中飄著一個氣球，你推一下它，它會移向另一邊；你從上往下壓它，它會更快落下。
第三運動定律總結出任何力都有一個相等的反作用力。這個意思是兩個物體間的力相互作用，大小相等，但方向相反。你可以再拿氣球試試，你拍它一下，它就離開你的手，同時也在你的手上留下一個作用力（你能感覺到的）。要是你猛擊一塊巨石，石頭不會動，可是你的手會被彈回來，而且很疼。這是因為輕的物體所施的作用力，很難克服反作用力而去影響重的物體。（和重力是同一個道理。）
這三條定律把早期自然哲學家困惑的問題統整在一起了。借牛頓之功，從行星運動到箭離弦的軌跡等很多現象都有了解釋。透過運動定律可以把整個宇宙看作一臺有規律的巨大機器，就像一個能計時的錶一樣，它有自己的彈簧、槓桿和運動。《原理》被奉為蘊含著無限能量的天才之作，它把一個離群索居、惹是生非的人變成了名人。牛頓被任命為政府鑄幣廠的廠長，月薪不菲。他忘我地投入新工作中，帶著極大的熱情追究偽造貨幣者，監督國家的貨幣供應。為此，他不得不放棄劍橋的一切搬到倫敦，在那裡度過了生命的最後三十年，並成為皇家學會的會長。
在倫敦的那些年，牛頓精心修訂了《原理》，不但補充了一些後期作品，而且回應了不同的質疑之聲。科學家一貫如此。羅伯特．虎克去世不久，牛頓出版了第二本重要的科學著作《光學》（Opticks，一七〇四）。牛頓和虎克就誰是第一個在實驗中得出結論，確定了光的性質和運動規律而爭論不休。牛頓差不多在四十年前就為這本書做了大量準備工作，但是虎克在世的時候，他卻遲遲沒有將其出版。《光學》和《原理》一樣無可替代。我們在後面的章節還會介紹書中的某些論點，那將是其他科學家站在牛頓肩上之時。
牛頓是第一個獲得爵士頭銜的科學家。他享受到了權利，但並沒有體會到快樂。他不能算是一個可愛的人，但他是一個偉大的人。縱觀歷史，他是最勇於創新的科學家之一。我們要永遠銘記他對人類瞭解宇宙所做出的傑出貢獻。牛頓的《原理》是克普勒、伽利略、笛卡兒等很多人曾經勇敢追逐過的天文學和物理學的顛峰之作。他在書中把天體和地球合成一體，概括出放諸四海皆準的定律。他用數學和物理的方法解答了行星的運動和物體落地的運動。他奠定的物理學基礎一直被科學界沿用到二十世紀，直到愛因斯坦等人證明宇宙間還有更多艾薩克大人沒有考慮到的事情時為止。