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关于牛顿的苹果,人们误会了什么?

对于公众来说,牛顿其人最大的影响力不仅在于众所周知的几条定律,还在于一个与之相配的苹果传说。在最通俗的演绎里,故事的核心是牛顿看到苹果落地(或者被砸到了头),由此启发他认为苹果下落与月球围绕地球运动背后的道理相同,之后便得出了万有引力定律……实际上,这则规律是牛顿对物质世界深刻思考并发展数学工具得出的,实乃非人之杰作。而为了向后人,尤其给孩童来介绍牛顿,带有传奇色彩的苹果故事成了不二选择。可是,这则趣事里,往往失去了一个关键的问题:为什么苹果下落就能启发牛顿?甚至诸多段子引述成“为什么你被某物砸过只会感到疼“。这是因为,故事往往缺少了那个真正让牛顿发生“尤里卡”的思考:地球也被苹果吸引而移动。

撰文 | Rose Villatoro

翻译 | 二维

作为以帮助人们理解、欣赏物理为职业的人,我实在反感人们谈论艾萨克・牛顿尤其是谈他是如何发展引力理论的方式。我不是对苹果有意见,这是故事中非常重要的一部分,甚至从历史的角度讲,也是准确的!让我备受折磨的是整个故事的脉络,改编的故事制造了牛顿的观察和他的洞察力之间的隔阂。这是什么意思呢?让我们回顾一下那个我最早被讲述的故事。

一天,年轻的牛顿坐在他院子里的苹果树下,看到一个苹果掉到地面上――某些版本中,为了达到幽默的效果,说他被掉下的苹果砸晕了脑袋。作为一个非常聪明的,也许轻微脑震荡的思想者,牛顿对这个日常现象背后的原因产生了兴趣。就那么一刹那,他领悟到,肯定有某种力将苹果拉向大地。他称这种力为引力,并用一个简单而令人难忘的格言来描述其原理: 有上必有下(What goes up must come down)。故事通常就在那儿停住了,太短了――几乎没有说出任何有意义的事情。

像这样的一张可上色的卡通图是很好的出发点,但是牛顿苹果的故事不能就此停下;教育的挑战在于以观众能理解的级别去沟通,并且不牺牲所要传达的信息中重要的部分丨图片来源:APS Physics

这些故事掺杂着对牛顿观点的扭曲的解释,听到这些,孩子只能痛苦的带着错误的科学观念走开。 “What goes up must come down”不是洞察力,这只是“物体会下降”的不那么直接的一种说法――它更像是古代语法课中的一节,而非物理学。在那个版本的故事中,牛顿除了给一个现象贴上标签还做了什么呢?如果一只普通松鼠可以说话,它也会告诉你相同的事情。

当然,我并不是建议让一年级学生从数学公式和平方反比定律入手,但是上面的故事中缺少一个关键要素:那就是学习、发现中的愉悦和快感来自于“咔哒”的灵光乍现,是建立某种精神层面的行为。当你用一种不同的方式看待某些熟悉的事物,或者用全新的观点对待一些奇怪的事情使其变得熟悉,才会有那种感觉。在上述故事的中,没有任何 “咔哒”的灵光乍现――只是多了一个词汇,并导致定义陷入循环链:重物由于重力而被拉下来,重力是质量的属性,质量是……好吧……重物,除非你想直接跳到 E = mc2。

那么,对于年轻的牛顿,那个“咔哒”一点在哪里呢?他的深刻见解在哪?据记录,那个男人自己说,他的“尤里卡”时刻确实是在苹果从树上掉下来之后才来的。那么,他通过什么样的脑回路,见证这一平凡的现象,并在其中看到了适用太阳系的定律?

答案在以牛顿名字命名的另一条定律中,也是一条简单的法则,就像“有上必有下”一样简单并难以忘记 :每个动作都有等价相反的动作。就像在中学物理课上学的,你推开某人,你自己也被推开了。

如果我们用这个例子作为故事的开头,可以在介绍牛顿并讲述他的其他贡献的背景下进行,那么聆听者不仅可以欣赏牛顿的天才,而且甚至自己可以做出那个飞跃。当我们再讲述牛顿看到苹果从树上掉下来的故事时,就可以向听众提问一个牛顿绝对会会问自己的问题:“将苹果拉到地球上的相反动作是什么?移动它的反作用力来自哪里?”

答案是整个星球都在移动,无论在多么微小,地球向着苹果移动了――随之而来的是脑海中震耳欲聋的“咔哒”鸣响。对于牛顿而言,这个简单的想法令他茅塞顿开,打破了空间参照系的大门,尽管这扇门为我们日常生活提供了很好的帮助。原来的框架中,上和下是绝对的,而地球等效于平坦且不动的。而现在,把你的头调个方向,您会意识到向下 只意味着朝向质量。突然之间,苹果和地球就不再是水果和天空了,它们只是悬挂在太空中的两个物体,彼此吸引。

牛顿同时代人写的手稿的一段,记录了牛顿所讲的苹果树故事的版本:“ ...因此,苹果吸引了大地,地球也吸引了苹果。”丨图片来源:The Royal Society, Memoirs of Sir Isaac Newton's Life by Sir William Stukeley

不久之后,牛顿将目光转向天空中的月球,并再次因为用全新的方式看待熟悉的事物而一次感到激动。在此之前的几年,天文学家和数学家约翰内斯・开普勒(Johannes Kepler)曾描述过绕太阳公转的行星轨道, 但这些路径并未得到正确的解释。通过发展数学方法,并结合以他自己名字命名的定律,牛顿将他对普遍存在吸引力的想法形成了一个新的理论,他证明了环绕太阳的天体与控制苹果掉下的力背后遵循相同的规则,在地面发射炮弹所形成轨迹也是同理。

这是理性和想象力的胜利,也是伟大思想诞生的典范。尽管寓言中的“尤里卡”时刻似乎突如其来的,但它必须建立在对整个系统的理解上,牛顿对力和运动的认识为他提供了打开新思维方式的钥匙。

当我第一次听牛顿苹果的故事时,这个故事有点古怪,而且令人困惑:牛顿被砸中了头,这激发了他给大家都知道的东西取个名字(万有引力)。但是,如果我们真的努力让自己站在他的位置上,我们就能看到牛顿顿悟的非凡之处,各个年龄段的听众也会受到鼓舞、启发、拓展思维。

原文链接:https://www.physicscentral.com/buzz/blog/index.cfm?postid=6134124980027342730