苹果掉到地上,为什么是万有引力?

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回答:关于“牛顿和万有引力”之间的流传最广、知名度最高的故事,莫过于“砸在牛顿头上的苹果”。这个故事一般版本如下:

一天傍晚,牛顿坐在苹果树下乘凉。忽然,一个苹果从树上掉下来,落在他的身边。他觉得很奇怪,心想:“苹果为什么会掉下来呢?” 他继续自言自语,“可是,为什么苹果只向地面上落,而不向天上飞去,也不向左、向右抛开呢?” 为了弄明白这个问题,他又反复地观察,专心地研究,终于发现了苹果落地的秘密……原来,这是因为地球有吸引力!

然而,这个故事据说是伏尔泰从牛顿的侄女那里听来的,并不见于任何正式记载。实际上,在中世纪“地心说”就已经成为了一种共识(在“地心说”中,物体朝向地心自然下落)。到了牛顿生活的时代,距离哥白尼提出“日心说”差不多有两百年了,且从伽利略至开普勒,“日心说”都已经逐步替代了“地心说”。所以,“地心引力”对于牛顿来说根本不是什么新鲜事,他需要回答的不是“苹果为什么落地”这样的常识,而是更为复杂的问题——“星体为何没有因为离心力而飞出太阳系,或者因为向心力而飞向太阳”。

牛顿的“万有引力”不仅在科学界引发讨论,也在神学界掀起轩然大波。在安德鲁·迪克森·怀特所著的《科学与神学论战史》中,关于“牛顿与万有引力”的关系之间,有这样一段话:

有个事实并非是广为人知的,即尽管宗教精神深入牛顿的心灵,他依然遭到了强烈的反对。由于他阐述了万有引力定律,有人严厉地指责他“剥夺了上帝对《圣经》中一直确认是其造物的直接作用,并把它变成了一种物质作用过程”,还指责他“用万有引力取代了上帝”。

不过,怀特的作品给人这样一种印象,即由于陷入了某种宗教的迷思,牛顿真的用“万有引力”取代了“上帝”。然而事实并非如此,牛顿保持着清醒的认识,他认为“万有引力”乃是上帝用来令宇宙掌握某种惊人平衡的力量。

根据史料来看,将牛顿视为一个晚年误入歧途的神学家,是不太恰当的。因为“上帝作为宇宙的第一推动者”这样的观念,在当时是物理学研究的默认前提。无论是笛卡尔、莱布尼茨还是牛顿,他们的物理学中必然有一个终极的动力因,这个原因不被任何其他因素所搅动,而他本身凭借自身的自发运动,带动了整个世界的运转。

因此笛卡尔与牛顿之间的分歧,不在于有没有上帝,而在于自然之中有没有一个单独的万有引力的来源。当时有一位年轻的神学家本特利,他机敏地发现了牛顿的万有引力理论中存在了一点儿“瑕疵”,于是他便写信向牛顿询问了这样一个问题:如果宇宙中空空如也,星体之间又会彼此吸引,那么为什么这些星体没有坍缩到一起?

这便是“本特利悖论”,而如果将这个悖论进一步推演,那么问题就更加难以回答:假如宇宙是无穷大的,其中的星体必然是无穷多的,那么星体之间的引力总和必然也是无穷大的(同时也是可以远距离相互影响的),可是这股无穷大的引力为什么没有把星体扯碎呢?

即便是拥有当时最聪明大脑的牛顿也觉得这个问题非常棘手。他在回复本特利的时候老实地回答:“至于引力的原因,我不打算假装知道,并且我会因此花更多的时间来思考它。”(for the Cause of Gravity is What I do not pretend to know, and therefore would take more Time to consider it.)牛顿更愿意认为引力乃是“天生如此”,或者说,在上帝创造世界的时候,引力便已经如此了——星体之间的引力相互作用维持着某种微妙的平衡,使得星体恰好不被引力撕碎。

牛顿的《数学原理》,牛顿就是在《数学原理》的注解中承认自己不知道引力起源的

至于宇宙中的引力是否无穷大,牛顿则求助于他的另一项数学成就——“微积分”。学过微积分的人都知道“极限”这个基本概念,即一个“可以无限接近,但永远无法企及”的界限。星体之间的引力可以相互作用,彼此可以抵消掉一部分,因此即便宇宙之中有无穷多个星体,但是引力的总和却是一个“极限”,而这个“极限”便是上帝所设立的能够维持所有星体不被扯碎的引力上限。

另外,牛顿之所以死活也不愿意承认“引力是物质的本质且内在的属性”(Gravity as essential and inherent to Matter),还有着另外一层观念上的原因。他觉得,一旦承认引力是物质的“本质且内在的属性”,那么就意味着宇宙可以凭借自身运转,从而不需要一个“外在的上帝”。

这种观念恰好符合“伊壁鸠鲁派的哲学”——古代伊壁鸠鲁派的原子理论,即认为在一个无尽的空间中,原子根据一种内在引力的法则不断地坠落,这种哲学流派自古以来一直被人们视为是“无神论”的代表。出于宗教精神,无论是牛顿还是本特利都根本不会采纳这一观点。

故而,即便牛顿归纳出了万有引力的定律——“万有引力的大小与距离的平方成反比”,他仍然不会以今人的“无神论”角度来思考他的发现。其实承认牛顿自始至终都是一个宗教信徒,丝毫不能贬损他在思考自然问题时的天才表现。更加有趣的是,可能恰好因为他对上帝性质的一些思考,使得他能够避开“以太学说”中的一些“陷阱”。

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