因疫情宅家就该无所事事?学霸不会,他很忙,因多项“发现”世界闻名

1665年春天,英国伦敦大规模暴发鼠疫,这场瘟疫历时两年之久,约有8万伦敦人因此而死亡。

鼠疫暴发时,被后人誉为“近代物理学之父”的牛顿刚刚22岁,刚好从剑桥大学三一学院毕业。为了躲避这场瘟疫,牛顿1665年7月回到家乡,开始了为期18个月的宅家生活。

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艾萨克·牛顿

牛顿没有成为农夫,以减费生资格进剑桥学习

牛顿是非常幸运的,19岁的他有幸进入英国剑桥大学学习。为什么要说牛顿幸运呢?因为牛顿的母亲根本不希望儿子上学,只想让他当一名农夫,事实上牛顿的求学路也因此中断一次。

1659年10月,正在金格斯皇家中学读书的牛顿被迫顺从了母亲的意思,回到家乡埃尔斯索普村,开始了耕种的农夫生活。

农夫生活让牛顿很不快乐,他只好利用干活的歇息时间读书。然而,牛顿读起书来往往忘记时间,他经常偷懒引起了舅舅威廉疑心。在一次跟踪之后,舅舅威廉终于明白,牛顿的偷懒是为了读书。在舅舅威廉和恩师、校长斯托克的支持下,牛顿于1660年秋天返回金格斯中学,完成中学学业。

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伍尔索普村牛顿故居(王克迪 摄)

1661年,牛顿的中学时代即将结束时,恩师斯托克和舅舅威廉便已为他的前途准备。他们相信只有最好的剑桥大学才能给牛顿一个真正的学习空间。

威廉曾是剑桥大学三一学院的毕业生,在那里有他熟识的朋友数学家巴罗,斯托克也通过自己的朋友为牛顿争取去三一学院学习的机会。

经过斯托克推荐,剑桥大学三一学院经过评审接受了牛顿,并给了他减费生待遇。当时的剑桥大学学生分公费生、减费生和一般生三种。公费生是非常优秀的学生,一般生是成绩不好但有钱。减费生就是可以享受多种优惠政策的贫困学生。

牛顿大学前三年非常普通,显得“学业平平”

1661年6月4日,牛顿到达剑桥大学,第二天便到三一学院报到。从此开始大学生活。剑桥的学风是宽松的,宽松到牛顿有时间可以研究规定课程以外的学科。在学习期间,牛顿基本上自学了笛卡尔、伽利略、哥白尼、开普勤等天文学和哲学理论著作,这些著作让他着迷。

由于牛顿是减费生,并没有人特别关注他,包括牛顿舅舅威廉认识的那位朋友、数学家巴罗教授,更不知道在他的影响下,牛顿已经走上了“歧途”,喜欢数学、物理研究,尤其是物理研究。

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150年前的剑桥大学

牛顿前三年显得非常普通,学业平平,任何一次奖学金都与他无缘。这种情况直到1664年的4月才有所改变。

那是一次特殊的考试,每三四年剑桥就会有一次“人才选拔赛”,对减费生和一般生的奖励是可以将转为“公费生”。这次考试让主要依靠自学的牛顿大放异彩,不仅改变了尴尬的减费生身份,也得以让数学家巴罗对他另眼相看,得到特别指点。

巴罗的点拨使牛顿懂得了两个重要的东西。一是他必须掌握像《几何原本》那样精密、严谨的理论体系,否则他的学识再渊博再丰富也是支离破碎、残缺不全的;再就是,他必须学会用专门的理论技巧和数学方法,来充分表达自己对自然的认识和研究。

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老年牛顿画像

聪明的牛顿一旦领悟到这两点,立即就埋头钻研《几何原本》。他还仔细研究了当时几位数学大师的新著,包括瓦里斯的《无穷算术》,他又再次研究了笛卡儿的《几何学》。在当时人看来,这些都是最高深的数学著作,很难读懂。可是牛顿只用一年左右的时间就不但完全理解了作者的思想,还在他们的书中发现了大量错误。1665年年初,牛顿在钻研时发现了二项式定理。

伦敦暴发大规模鼠疫,剑桥暂时关闭,牛顿被迫回家

1665年春天,一场鼠疫肆虐了整个欧洲。伦敦当年春天也发生鼠疫,随之大规模蔓延。当年6月至8月,伦敦人口减少1/10,到1666年年底疫情结束时,伦敦因鼠疫而死亡的人多达8万。

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画家丽塔格里尔所绘大瘟疫时期伦敦街头的惨状

1965年的春夏之季,死亡的恐惧笼罩着整个伦敦,在这样的情况下,人们首先想到的是逃离,英国王室逃出伦敦,有钱人纷纷乘着马车匆匆逃离。位于伦敦的剑桥大学也不例外,为了保证师生安全,防患于未然,剑桥大学决定暂时关闭校园,全体师生都遣散回家。

1665年7月,由于剑桥大学暂时关闭校园,当年刚好学士毕业、但仍进行紧张思考研究的牛顿被迫离开学校回到伍尔索普庄园,开始了他的宅家生活,这是一段被史料称为“最神秘因而也最令人感兴趣”日子。

宅家18个月,单调的生活让牛顿“亢奋”

从1665年7月回到家乡,到1666年底疫情结束,牛顿在宅在家乡的时间共18个月。这段时间,由于疫情原因,成为牛顿一生中最安静最不受干扰的时间,即便如此,牛顿很快发现他的家——伍尔索普的庄园的生活干扰他的研究,又搬到汉弗莱·巴宾顿先生的家里,在那里度过了18个月中的大部分时间,这中间他还回过一次剑桥,去查找所需要的资料。

可以说在这18个月里,他在好几个领域里都作出了划时代的发现,这些发现构成了他后来半个多世纪全部智力活动的核心。

一回到家里,牛顿就着手验算自己的无穷级数。在研究级数时,牛顿注意到,要把函数展开为无穷级数必须引入无穷小概念,以保证级数具有收敛特性。这一发现本身就是对数学研究的一项重要贡献。然而,牛顿没有到此止步,他把无穷小引进到笛卡儿的坐标系中,对函数关系中自变量的无穷小量变化与相应的函数变化量之间的比例和关系加以考查,从而发现了有史以来人类所掌握的最为强有力的数学分析工具——微分方法和概念,他当时称之为流数法。

牛顿进一步发现,这种流数法可以直接用,也可以反着用。直接用时,可以求出曲线的切线(或函数的导数);反着用,可以由切线求出曲线,或由导数求出函数,还可以十分方便地计算曲线包围的面积。

牛顿的流数法和反流数法,就是我们今天所熟知的微分方法和积分方法。

发现二项式定理和微积分,在数学史上是个重要的里程碑。不过,当时才23岁的牛顿并没有充分意识到这一点。他关心的并不是数学,而是物理世界的结构和运动。在他看来,他新近发明的数学方法只是解题和运算的工具,它们是用来解决物体运动问题的。

有人说,伟大的数学天才牛顿只在世上存在了6个月左右,然后,数学天才牛顿就突然变成了物理学天才牛顿。

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牛顿关于月球理论的手稿

之后,有了神计算功夫的牛顿开始转向对他最感兴趣的“太阳、地球、月亮、星星”等天体的研究。他整日里计算验证大学时期的各种未竟的研究。

“牛顿因苹果落下发现万有引力”是一个家喻户晓的故事,这个故事的确发生在他宅家的时期。那时,他正处于研究天体运行规律的深度思考,一个偶然的现象,才能触动他的灵感,让他发现万有引力。之后牛顿发表的万有引律定律及成果,成为奠定了他物理学研究的基础。而这些研究成果,始于宅家时期。

宅家时期的牛顿非常亢奋时期,他在伏案苦思、研究之余做什么呢?

他观察太阳光。他终生都有这一爱好,在凝望着太阳光辉的同时陷入沉思。在这个过程中,牛顿想到,太阳光经过棱镜发生色散的现象表明,当时人们普遍使用的折射式望远镜必定是不完善的,因为透镜的每一个局部都是某种形式的三棱镜上。两年以后,牛顿终于发明出与普通望远镜原理不同的反射式望远镜,彻底消除了色差现象。

牛顿的这项研究,是他在那不朽的18个月中作出的又一重要成果。

“这时的牛顿,真是才思泉涌,处于创造力勃发的最佳状态。在这“心志最苦”的不朽的18个月里,他的思想遨游在抽象的数学王国和神奇的星空之中,忘记了时间,忘记了现实,也忘记了鼠疫就在身边肆虐,那万户萧疏鬼唱歌的惨景似乎从未触动过的他的神经,喷泻而出的超人才智完全控制了他的身心。”

瘟疫之后,牛顿携“宅出的成果”回剑桥,从此走向辉煌

1667年4月,牛顿重返剑桥大学。作为一般的毕业生,刚刚大学毕业,还从未发表过研究成果,没有任何名望。是不会受到任何重视的。

但此时的牛顿不同,在潜心研究的18个月里,他发现的二项式定理和流数法,让巴罗教授赞叹不止。牛顿凭实力成为巴罗教授的研究助手。

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现代雕塑:计算着的牛顿

不仅如此,1667年10月2日,牛顿正式成为剑桥大学三一学院的研究员。之后一年,他为英国科学界所认识。

6年后,牛顿成为全欧洲公认的最优秀的数学家和最重要的自然哲学家。

20年后,他写就了使他千秋万代声名永驻的最伟大的科学著作,并成为英国无可争议的科学界的领袖和统治者,而他的思想和理论则在世界科学中处于主导地位达300年之久。

辽海出版社《牛顿传》、

北京大学出版社澎湃号《1665年伦敦鼠疫,牛顿做了什么?》

搜狗百科词条《艾萨克·牛顿》

■裴红川


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