宇宙奥德赛:漫步太阳系 签名版

1.2 人类如何测量地球的质量？ 地球质量的测量，在科学史上具有举足轻重的地位。为了讲清楚此事的来龙去脉，让我先从一次著名的打赌说起。 1683年的一天，三位英国皇家学会的院士在伦敦聚会，然后约在一起吃晚饭。这三人分别是埃德蒙多·哈雷、罗伯特·胡克和克里斯托弗·雷恩。 前两人的名字可能会让你觉得颇为耳熟。埃德蒙多·哈雷就是哈雷彗星的那个哈雷，而罗伯特·胡克则是胡克定律的那个胡克。这两人都是科学史上的巨人，其科学成就远远不止于此。在后面的旅程中，我会详细地介绍他们的科学贡献。 而名气较小的克里斯托弗·雷恩，早年是牛津大学的天文学教授。但在1666年，伦敦发生了一场大火，把整个伦敦城区都付之一炬。在英国国王的任命下，雷恩主持了灾后重建的工作；从那以后，他就转行当了一名建筑师。英国有很多有名的建筑，例如圣保罗大教堂、格林尼治天文台和剑桥图书馆，都是雷恩的作品。虽然雷恩后来已经不怎么做研究了，作为英国皇家学会的元老，他还是于1680年当选为英国皇家学会的会长。 晚饭期间，三位院士聊到了太阳系天体的运动。早在17世纪初，大天文学家开普勒就已经发现太阳系的各大行星都在沿椭圆轨道绕太阳旋转。但大半个世纪过去了，一直没人能解释为什么它们的运动轨道会是椭圆。雷恩就在这个饭局上发起一个赌约：要是有人能解释行星为何会沿椭圆轨道运动，他就奖励那人40先令，这相当于一个大学教授半个月的薪水。 顺便吐槽一句。以今天的眼光来看，这完全是个搞笑性质的赌约。要别人解决全世界*大的科学难题，所给的奖励竟只有一个大学教授半个月的薪水。 胡克是个吹牛大王，当场表示他已经解决了这个问题。不过，他不愿意立刻公布这个问题的答案。他的理由是，要是太早公布答案，就会剥夺别人寻找答案的乐趣。当然，这次晚饭之后，胡克就把要公布答案的事给“忘了”。 但哈雷却对这个问题着了迷。他不相信胡克能找到问题的答案，但他知道这世上确实有一个人，有能力破解其中的奥秘。所以在1684年8月的一天，哈雷专程前往剑桥大学，去拜访这个神龙见首不见尾的绝世高人。想必你已经猜到了，这个注定要改变历史进程的高人，就是大名鼎鼎的艾萨克·牛顿。 牛顿是有史以来*伟大的两位科学家之一。他是世界上第二个被册封为爵士的科学家（**个是弗朗西斯·培根），也是世界上**个享受国葬待遇的科学家。法国启蒙思想家伏尔泰曾亲眼目睹了牛顿的葬礼，并在回忆录中写到：“英国人悼念牛顿就像悼念一位国王。”后世对牛顿有数不清的赞美。其中流传*广的是英国诗人亚历山大·蒲柏的一首诗：Nature and nature's laws lay hid in night; God said “Let Newton be” and all was light.（道法自然，旧藏玄冥；天生牛顿，万物生明。） 世界上有很多惊天动地的大事，都源于一些相当不起眼的小事。牛顿之所以能获得如此的盛名，很大程度上就源于哈雷的这次拜访。 在继续讲故事之前，让我们先来简单地回顾一下17世纪人们对引力的研究。现在我们已经知道，任意的两个物体间都存在引力，且引力的大小与这两个物体的质量成正比，而与它们距离的平方成反比，这就是引力的平方反比律。 现在很多教科书都说，引力的平方反比律是牛顿提出的。事实上，这种说法是错的。早在1645年，也就是牛顿出生后的第3年，法国天文学家布利奥就提出了这个平方反比律。不过布利奥犯了一个很大的错误：他误以为两个物体之间有时存在引力，有时又存在斥力。 随后，意大利物理学家博雷利也在自己的书中猜测，太阳系的所有行星都受到了太阳的引力，且太阳的引力满足平方反比律。 到了17世纪70年代，胡克也开始大力宣扬平方反比律；事实上，他甚至在一封私人通信中，向牛顿大力宣扬了这个理论。但类似于布利奥和博雷利，胡克同样无法证明平方反比律的正确性。 为什么胡克等人都无法证明平方反比律是正确的呢？答案其实很简单。早在17世纪初，开普勒就提出了著名的开普勒三定律，揭示了太阳系的各大行星都在沿椭圆轨道绕太阳旋转。要想证明引力的平方反比律，就得证明受到这种引力的行星，其运动轨道一定是一个椭圆。换句话说，就是要从平方反比律出发，*后推导出开普勒三定律。但问题在于，要想达到这个目的，就必须使用当时还不存在的一种数学工具，那就是微积分。 说到这里，你就能明白牛顿的特殊之处了。作为微积分的发明者，牛顿是当时全世界唯一一个有能力破解这个超级世纪难题的“天选之人”。 但牛顿有一个怪癖：他不喜欢发表自己的研究成果。因此，尽管他早已破解了这个科学史上大名鼎鼎的世纪难题，但却一直秘而不宣。要是没有意外，它很可能会被当成一个秘密，被牛顿带进坟墓。 所以，1684年8月的这次哈雷和牛顿的会面，就成了一个真正意义上的历史转折点。整个人类科学史，甚至是整个人类文明史，就此改写。 寒暄了几句后，哈雷就开门见山地问牛顿：“如果太阳与其他行星间的引力满足平方反比律，那么这些行星的运动轨道将会是什么样的？” 牛顿不假思索地回答到：“当然是个椭圆”。 哈雷大为惊讶，马上追问：“你是怎么知道的？”。 牛顿泰然自若地回答到：“我早就算过了”。 激动不已的哈雷，马上要求看牛顿的计算过程。而牛顿在故纸堆里翻了半天，什么也没有找着。不过，他答应哈雷，会重新计算一遍，并把它写成一篇论文。 两年后，牛顿兑现了自己的诺言。事实上，他所做的比他承诺的要多得多。他交给哈雷的不是一篇论文，而是一本书，那就是《自然哲学的数学原理》。在这部有史以来*伟大的学术著作（没有之一）中，牛顿基于欧几里得开创的公理化体系，提出了牛顿力学三定律和万有引力定律，从而完成了物理学史上的**次革命。 这本书让哈雷佩服得五体投地。此后他逢人便说，牛顿是这个世界上*接近神的人。持类似观点的人还有后来与牛顿争夺微积分发明权的大数学家莱布尼兹。他曾说过，牛顿在科学上的贡献超过以前所有人的总和。 事实上，哈雷对人类文明*大的贡献就是促成了这本《自然哲学的数学原理》的出版。英国皇家学会本来已经同意出版这本书，但没过多久又变卦了。这是因为皇家学会刚刚在一本叫《鱼类志》的书上赔了很多钱，怕在一本极度晦涩难懂的书上继续赔钱。所以哈雷干脆自掏腰包，垫付了这本书的全部出版费用。1687年，这部划时代的科学巨著正式出版。这让牛顿立刻名满天下，从而直接登上了科学的神坛。 一次饭局上的打赌，*后竟然促成了有史以来*伟大的学术著作的出版。这应该算是蝴蝶效应的*佳例证了。 顺便说件比较搞笑的事情。皇家学会由于在《鱼类志》上赔钱太多，无力支付哈雷为学会当秘书的工资，所以就把一些卖不出去的《鱼类志》寄给他当薪水。 ……