《人類科學(xué)技術(shù)史-229》萬有引力發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)之爭

萬有引力發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)之爭
1.爭論的開始

1693年，英國皇家學(xué)會(huì)的百余名會(huì)員云集倫敦，舉行一年一度的年會(huì)。這是皇家學(xué)會(huì)創(chuàng)立以來的第31屆年會(huì)。同以往的年會(huì)一樣，會(huì)員們各自報(bào)告了一年來在科學(xué)研究中所取得的新成果。

在本屆年會(huì)即將結(jié)束時(shí)，皇家學(xué)會(huì)總干事、年近六十的老會(huì)員胡克發(fā)表了一項(xiàng)重要聲明。胡克在這項(xiàng)聲明中說，引力的平方反比定律是他首先發(fā)現(xiàn)的，而牛頓剽竊了他的成果。聲明指出，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(以下簡稱《原理》）一書中，把引力的平方反比定律的發(fā)現(xiàn)完全歸功于自己，這是不公正的。胡克的聲明引起了與會(huì)者的思想混亂。

本來，根據(jù)皇家學(xué)會(huì)的要求，牛頓早在1684年11月至12月間即開始寫作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，并在1685年夏完成了第一卷，1686年，牛頓又完成了第二卷，并開始寫作第三卷。1686年春，當(dāng)牛頓向皇家學(xué)會(huì)提交第一卷后，卻未能在當(dāng)年出版，其原因，一是皇家學(xué)會(huì)湊不出足夠的出版經(jīng)費(fèi)；二是皇家學(xué)會(huì)總干事胡克對書中的引力的平方反比定律發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)提出了異議，胡克認(rèn)為，引力的平方反比定律是他首先發(fā)現(xiàn)的，正是他的發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。但是牛頓在書稿中卻對胡克的發(fā)現(xiàn)只字不提，因此，胡克不同意此書的出版。

《原理》在當(dāng)年未能出版的后一個(gè)原因的內(nèi)幕，牛頓開始并不知道。過了一段時(shí)間之后，哈雷才向牛頓透露了這一內(nèi)幕。1686年5月22日，哈雷在給牛頓的信中說："我應(yīng)當(dāng)告訴你一件事，就是胡克先生對于你的重力減小到中心的距離的平方成反比這個(gè)法則的發(fā)明還有一些要求。他說你是從他那里得到這個(gè)概念的?！讼壬Ｍ阍谛蜓灾猩晕⑻岬剿幌?。"這樣，胡克就通過哈雷，向牛頓提出了萬有引力發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)之爭。

對于胡克的提議，牛頓起初表現(xiàn)得比較克制，因?yàn)樗麑@位年長的科學(xué)家還是尊重的，牛頓在同年5月27日給哈雷回信時(shí)說："感謝你寫信給我，告訴關(guān)于胡克先生的一切。"又說，希望能與胡克之間"保持良好的了解。"由此看來，牛頓起初對胡克的提議并不在意。

但此后不久，當(dāng)牛頓聽說胡克在一次會(huì)議上說牛頓的引力平方反比定律是剽竊他的成果時(shí)，牛頓表示了憤慨，同年6月20日，牛頓在給哈雷的信中，駁斥了胡克對于萬有引力發(fā)現(xiàn)居先權(quán)的要求。牛頓說，他再也不能寬恕這個(gè)粗鄙無能的胡克了，并指責(zé)胡克是想"要拿走步其后塵的以及走在他前面的人的所有發(fā)明。"由于憤慨，牛頓不想發(fā)表他的《原理》第三卷了。

哈雷接到信后，立刻回信牛頓，對牛頓進(jìn)行了寬慰和勸導(dǎo)。哈雷說："我衷心地感到歉疚。"又說："在這全人類都應(yīng)該向你表示感激的事件上，你竟碰到了使你不安的事情?！F(xiàn)在我必須再次懇求你，不要讓你的怒火沖天，以致使我們失去你的第三卷。"哈雷的寬慰和勸導(dǎo)使牛頓逐漸恢復(fù)了平靜。牛頓在回信中表示了愿意和解的態(tài)度，并答應(yīng)了哈雷的要求，加緊了《原理》第三卷的寫作和修改。1687年4月6日，牛頓把《原理》的第三卷也提交給了皇家學(xué)會(huì)。

牛頓從1684年11月至12月間開始寫作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的第一卷，到1687年4月提交《原理》的第三卷，經(jīng)過兩年多的緊張工作，這部用拉丁文寫作的三卷本科學(xué)巨著，終于全部脫稿了。

《原理》的三卷手稿全部提交給皇家學(xué)會(huì)之后，由于皇家學(xué)會(huì)一時(shí)湊不出足夠的出版經(jīng)費(fèi)，同時(shí)由于胡克提出的萬有引力發(fā)現(xiàn)居先權(quán)的爭議，皇家學(xué)會(huì)無法出版。最后，哈雷慷慨解囊，于1687年5月資助出版了牛頓的這一著作。

可是，事過6年之后，胡克又提出了萬有引力發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)問題，這不能不使與會(huì)會(huì)員大為驚異，同時(shí)也使牛頓本人深感震驚

2.爭論的原因

胡克是17世紀(jì)中期的以天文學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)等方面的成就著稱的科學(xué)家。

胡克在力學(xué)中的建樹，表現(xiàn)在他的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，胡克在1659年對格里凱抽氣機(jī)進(jìn)行了改革，并用這種抽氣機(jī)協(xié)助化學(xué)家波義耳進(jìn)行大氣壓力實(shí)驗(yàn)，使波義耳發(fā)現(xiàn)了大氣的體積與壓力成反比的定律，即著名的波義耳——馬略特定律。此外，胡克還進(jìn)行過彈性力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。他在彈簧的應(yīng)力實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)彈性物體的應(yīng)變與應(yīng)力成正比的定律，即著名的胡克定律。這一定律雖然直到1676年才以字謎的形式陳述出來，并遲到1678年才以定律的形式發(fā)表出來，但胡克本人早在1660年發(fā)現(xiàn)了這一定律。

那么胡克對萬有引力發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)是否真實(shí)？這要從引力理論發(fā)展的歷史源流來說。

17世紀(jì)初，吉爾伯特發(fā)表《磁石論》，天體和地面物體運(yùn)行的力學(xué)規(guī)律即已受到天文學(xué)家和物理學(xué)家的重視。吉爾伯特已試圖運(yùn)用磁力理論對天體運(yùn)行的力學(xué)規(guī)律進(jìn)行探討。而伽利略的落體定律及其朦朧的引力觀念、開普勒的行星運(yùn)動(dòng)的三定律及其最初的天體引力思想，事實(shí)上已分別在力學(xué)和天文學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)播下了萬有引力定律的理論種子。

但是，在開普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)的第三規(guī)律和提出最初的天體力學(xué)理論后，他的理論思想在半個(gè)世紀(jì)之內(nèi)未引起人們的充分重視。只是到了六十年代中期，人們才重新關(guān)注這一問題。在意大利、荷蘭、英國、相繼出現(xiàn)了一些引力問題的研究者。

1666年，意大利物理學(xué)家博雷利(1608-1678年）重新提出了開普勒的引力理論，博雷利是比薩大學(xué)的數(shù)學(xué)教授、佛羅倫薩實(shí)驗(yàn)學(xué)院的院士。他繼承了伽利略的力學(xué)傳統(tǒng)，同時(shí)吸取了開普勒的引力思想。博雷利在研究行星的運(yùn)行軌道時(shí)認(rèn)為，行星軌道之所以是橢圓軌道，是由兩種相反的力合成的效果。其一是把行星吸向太陽的引力，其二是使行星離開太陽的離心力。這兩種力合成之后，其運(yùn)動(dòng)就像用繩索系住石頭后讓它旋轉(zhuǎn)一樣。博雷利提出這一假設(shè)之后，未能對這一假說進(jìn)行數(shù)學(xué)論證。但博雷利重新提出行星軌道的力學(xué)問題，說明研究引力理論的條件已經(jīng)成熟了。

荷蘭著名物理學(xué)家惠更斯在研究動(dòng)力學(xué)的過程中，也研究了引力問題。1673年，惠更斯發(fā)表了他的動(dòng)力學(xué)著作《擺鐘論》。在這一著作中，惠更斯論述了他所發(fā)現(xiàn)的向心力定律：即當(dāng)一定量為m的物體以速度V在半徑為r的圓上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其向心力所產(chǎn)生的加速度a為V2／r。向心力定律的發(fā)現(xiàn)傳到英國后，直接推動(dòng)了牛頓對萬有引力定律的研究。

在英國，則出現(xiàn)了更多的熱心的引力理論研究者，因?yàn)榇藭r(shí)行星運(yùn)動(dòng)的引力問題已成為英國最吸引人的前沿科學(xué)問題。由于開普勒定律的影響，不少科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了太陽對于行星的引力，并且推測到這種引力隨行星到太陽的距離的平分成反比的變化。后來，由于惠更斯發(fā)現(xiàn)的向心力定律的影響，天文學(xué)家和物理學(xué)家進(jìn)一步被吸引到引力問題的研究中，其中，牛頓、胡克、哈雷和雷恩便是試圖攻下引力問題這一科學(xué)難關(guān)的最熱心的代表人物。

胡克的引力問題研究是以伽利略的運(yùn)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的，胡克在研究中發(fā)現(xiàn)，如果用伽利略的慣性原理解釋行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必然要從力學(xué)理論上引出這樣兩個(gè)問題：其一，使行星軌道彎曲成圓或橢圓所需要的向心力；其二，證明太陽的引力提供了行星運(yùn)動(dòng)所需要的向心力。這兩個(gè)問題都需要研究向心力或引力隨兩物間距離的變化而變化的規(guī)律。胡克正是從這一問題走向引力定律研究的。

1662年至1666年間，胡克根據(jù)他的上述推想，進(jìn)行了一項(xiàng)試圖探索引力隨距離變化的引力實(shí)驗(yàn)，他在深井和高山上量得同一物體的重量，試圖通過同一重物在與地心處于不同距離時(shí)的重量差，來求得引力隨兩物體之間的距離的變化規(guī)律。但實(shí)驗(yàn)沒有成功，因?yàn)樯降母叨扰c地球的半徑相比是微不足道的。

1664年，當(dāng)雷恩在與胡克的一次聚會(huì)中商討慧星的軌道問題時(shí)，胡克根據(jù)他當(dāng)時(shí)對引力問題的研究，指出當(dāng)慧星靠近太陽時(shí)，其軌道是彎曲的。而慧星軌道彎曲的原因，正是來自太陽的引力。

惠更斯在1673年發(fā)現(xiàn)向心力定律之后，為引力定律研究提供了新的理論借鑒。因?yàn)檫\(yùn)用這一定律，即可以從開普勒的行星運(yùn)動(dòng)的第三定律直接推導(dǎo)出引力的平方反比定律。雖然惠更斯本人可以做到這一點(diǎn)，但他卻未從理論上做出這一推導(dǎo)。

惠更斯的向心力傳到英國之后，立即引起了牛頓、胡克、雷恩、哈雷等人的重視。1674年，胡克提出了關(guān)于引力的三條假設(shè)。第一，一切天體都有傾向自身中心的吸引力，這種力又作用于其他天體。因此，不僅太陽和月亮對地球的形狀和運(yùn)動(dòng)發(fā)生影響，而且地球?qū)μ?、月亮同樣有影響，其他行星對地球的運(yùn)動(dòng)也都有影響，從而指出了引力作用的普遍性。第二，作直線運(yùn)動(dòng)的任何天體，在沒有受到其他作用力使其偏斜之前，繼續(xù)保持直線運(yùn)動(dòng)不變；受到其他力的作用時(shí)，它的直線軌道就會(huì)傾斜，沿橢圓、正圓軌道或某種復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)。這就找出了吸引力同天體運(yùn)行軌道的聯(lián)系。第三，物體離吸引中心越近，所受到的吸引力越大，具體數(shù)量關(guān)系尚待實(shí)驗(yàn)中解決。我們一旦知道了這個(gè)數(shù)量關(guān)系，就可以很容易地解決了天體運(yùn)行的定律了。

1680年初，他又明確地提出引力同距離平方成反比的思想。所以英國科學(xué)史專家貝爾納認(rèn)為，萬有引力的基本概念是屬于胡克的，但他缺乏牛頓那樣的數(shù)學(xué)才能，所以沒能明確地提出萬有引力的公式。

在相繼發(fā)現(xiàn)引力的平方反比定律之后，由于種種原因，胡克未能對引力的問題進(jìn)行更深入的研究。只有牛頓以引力的平方反比定律的發(fā)現(xiàn)作為他研究萬有引力定律的新的起點(diǎn)，向著萬有引力定律的目標(biāo)繼續(xù)前進(jìn)，并最終發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。

發(fā)現(xiàn)引力的平方反比定律并不等于發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，這一點(diǎn)，胡克本人也是清楚的。在牛頓尚未發(fā)現(xiàn)萬有引力定律之前，胡克曾在1679年寫信給牛頓，問他能否根據(jù)向心力定律和引力的平方反比定律，證明行星運(yùn)動(dòng)是橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。胡克不僅在這一信中提出了這個(gè)問題，而且指出了解決這一問題所在。胡克認(rèn)為，證明中的最大困難，是如何把太陽和行星這樣龐大的天體質(zhì)量，都看作好像是集中在它們各自的中心點(diǎn)來處理。顯然，胡克的這一力學(xué)思想與力學(xué)方法，與牛頓后來在1683年所采用的把兩天體同時(shí)作為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)來處理的方法是一致的。在這一力學(xué)思想和力學(xué)方法上，也許牛頓確實(shí)曾受到過啟迪，因?yàn)楹说倪@一思想和方法的提出，要比牛頓實(shí)際運(yùn)用質(zhì)點(diǎn)力學(xué)的處理方法早4年。而牛頓又是確實(shí)知道胡克提出的這種類似質(zhì)點(diǎn)觀念的思想和方法的。因此，就這段史實(shí)來看，胡克向牛頓提出萬有引力發(fā)現(xiàn)居先權(quán)之爭，確實(shí)也事出有因，有理可據(jù)，因?yàn)榕ｎD確實(shí)有可能從胡克的信中受到理論和方法上的啟示。

1679年，牛頓沒有能夠回答胡克的來信中提出的問題，因?yàn)榕ｎD本人在萬有引力定律上尚處于躊躇不前的狀態(tài)。

1684年，哈雷在研究開普勒的行星運(yùn)動(dòng)的第三定律時(shí)，認(rèn)為向心力也是與距離的平方成反比的，但哈雷自己當(dāng)時(shí)尚無力從數(shù)學(xué)和力學(xué)上證明這一點(diǎn)。因此，哈雷與雷恩和胡克的一次聚會(huì)中，把他的發(fā)現(xiàn)作為一個(gè)問題提了出來。胡克當(dāng)即聲稱，他可以證明出來。可是，他并未真正拿出這一問題的證明來。據(jù)說他當(dāng)時(shí)曾聲稱，他要等到別人試作的證明都失敗以后，他才把自己的證明拿出來，這樣人們才會(huì)真正賞識他的功勞。由于胡克素有吝嗇和愛譏嘲的名聲，因此雷恩和哈雷均對胡克采取不信任的態(tài)度，同時(shí)由于哈雷對胡克的證明不滿意，所以1684年8月，哈雷帶著萬有引力定律的證明問題，專程前往劍橋大學(xué)三一學(xué)院向牛頓請教，牛頓說這個(gè)問題他已經(jīng)證明出來了。

這樣，當(dāng)牛頓于1684-1685年在劍橋作了題為《論天體運(yùn)動(dòng)》的講演之后，特別是牛頓在1886年春天向皇家學(xué)會(huì)提交《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的第一卷之后，一場萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的居先權(quán)之爭也就隨之爆發(fā)了。

胡克提出的居先權(quán)之爭并非毫無理由，他與牛頓大體同時(shí)發(fā)現(xiàn)了萬有引力，但他們在這一發(fā)現(xiàn)上所取得的成就不是等同的。這種差異集中表現(xiàn)在：牛頓不僅發(fā)現(xiàn)了萬有引力，而且最終論證了萬有引力定律；胡克在引力問題的研究上雖然比雷恩和哈雷更深入一步，發(fā)現(xiàn)了萬有引力，但并未能像牛頓那樣證明萬有引力定律。他們在萬有引力問題的研究中所以表現(xiàn)出明顯的差異，是由于他們兩人在科學(xué)思想、科學(xué)方法和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面的差異造成的。