因疫情宅家就該無所事事?學霸不會,他很忙,因多項“發現”世界聞名

1665年春天,英國倫敦大規模暴發鼠疫,這場瘟疫歷時兩年之久,約有8萬倫敦人因此而死亡。

鼠疫暴發時,被後人譽為“近代物理學之父”的牛頓剛剛22歲,剛好從劍橋大學三一學院畢業。為了躲避這場瘟疫,牛頓1665年7月回到家鄉,開始了為期18個月的宅家生活。

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艾薩克·牛頓

牛頓沒有成為農夫,以減費生資格進劍橋學習

牛頓是非常幸運的,19歲的他有幸進入英國劍橋大學學習。為什麼要說牛頓幸運呢?因為牛頓的母親根本不希望兒子上學,只想讓他當一名農夫,事實上牛頓的求學路也因此中斷一次。

1659年10月,正在金格斯皇家中學讀書的牛頓被迫順從了母親的意思,回到家鄉埃爾斯索普村,開始了耕種的農夫生活。

農夫生活讓牛頓很不快樂,他只好利用幹活的歇息時間讀書。然而,牛頓讀起書來往往忘記時間,他經常偷懶引起了舅舅威廉疑心。在一次跟蹤之後,舅舅威廉終於明白,牛頓的偷懶是為了讀書。在舅舅威廉和恩師、校長斯托克的支持下,牛頓於1660年秋天返回金格斯中學,完成中學學業。

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伍爾索普村牛頓故居(王克迪 攝)

1661年,牛頓的中學時代即將結束時,恩師斯托克和舅舅威廉便已為他的前途準備。他們相信只有最好的劍橋大學才能給牛頓一個真正的學習空間。

威廉曾是劍橋大學三一學院的畢業生,在那裡有他熟識的朋友數學家巴羅,斯托克也通過自己的朋友為牛頓爭取去三一學院學習的機會。

經過斯托克推薦,劍橋大學三一學院經過評審接受了牛頓,並給了他減費生待遇。當時的劍橋大學學生分公費生、減費生和一般生三種。公費生是非常優秀的學生,一般生是成績不好但有錢。減費生就是可以享受多種優惠政策的貧困學生。

牛頓大學前三年非常普通,顯得“學業平平”

1661年6月4日,牛頓到達劍橋大學,第二天便到三一學院報到。從此開始大學生活。劍橋的學風是寬鬆的,寬鬆到牛頓有時間可以研究規定課程以外的學科。在學習期間,牛頓基本上自學了笛卡爾、伽利略、哥白尼、開普勤等天文學和哲學理論著作,這些著作讓他著迷。

由於牛頓是減費生,並沒有人特別關注他,包括牛頓舅舅威廉認識的那位朋友、數學家巴羅教授,更不知道在他的影響下,牛頓已經走上了“歧途”,喜歡數學、物理研究,尤其是物理研究。

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150年前的劍橋大學

牛頓前三年顯得非常普通,學業平平,任何一次獎學金都與他無緣。這種情況直到1664年的4月才有所改變。

那是一次特殊的考試,每三四年劍橋就會有一次“人才選拔賽”,對減費生和一般生的獎勵是可以將轉為“公費生”。這次考試讓主要依靠自學的牛頓大放異彩,不僅改變了尷尬的減費生身份,也得以讓數學家巴羅對他另眼相看,得到特別指點。

巴羅的點撥使牛頓懂得了兩個重要的東西。一是他必須掌握像《幾何原本》那樣精密、嚴謹的理論體系,否則他的學識再淵博再豐富也是支離破碎、殘缺不全的;再就是,他必須學會用專門的理論技巧和數學方法,來充分表達自己對自然的認識和研究。

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老年牛頓畫像

聰明的牛頓一旦領悟到這兩點,立即就埋頭鑽研《幾何原本》。他還仔細研究了當時幾位數學大師的新著,包括瓦里斯的《無窮算術》,他又再次研究了笛卡兒的《幾何學》。在當時人看來,這些都是最高深的數學著作,很難讀懂。可是牛頓只用一年左右的時間就不但完全理解了作者的思想,還在他們的書中發現了大量錯誤。1665年年初,牛頓在鑽研時發現了二項式定理。

倫敦暴發大規模鼠疫,劍橋暫時關閉,牛頓被迫回家

1665年春天,一場鼠疫肆虐了整個歐洲。倫敦當年春天也發生鼠疫,隨之大規模蔓延。當年6月至8月,倫敦人口減少1/10,到1666年年底疫情結束時,倫敦因鼠疫而死亡的人多達8萬。

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畫家麗塔格里爾所繪大瘟疫時期倫敦街頭的慘狀

1965年的春夏之季,死亡的恐懼籠罩著整個倫敦,在這樣的情況下,人們首先想到的是逃離,英國王室逃出倫敦,有錢人紛紛乘著馬車匆匆逃離。位於倫敦的劍橋大學也不例外,為了保證師生安全,防患於未然,劍橋大學決定暫時關閉校園,全體師生都遣散回家。

1665年7月,由於劍橋大學暫時關閉校園,當年剛好學士畢業、但仍進行緊張思考研究的牛頓被迫離開學校回到伍爾索普莊園,開始了他的宅家生活,這是一段被史料稱為“最神秘因而也最令人感興趣”日子。

宅家18個月,單調的生活讓牛頓“亢奮”

從1665年7月回到家鄉,到1666年底疫情結束,牛頓在宅在家鄉的時間共18個月。這段時間,由於疫情原因,成為牛頓一生中最安靜最不受干擾的時間,即便如此,牛頓很快發現他的家——伍爾索普的莊園的生活幹擾他的研究,又搬到漢弗萊·巴賓頓先生的家裡,在那裡度過了18個月中的大部分時間,這中間他還回過一次劍橋,去查找所需要的資料。

可以說在這18個月裡,他在好幾個領域裡都作出了劃時代的發現,這些發現構成了他後來半個多世紀全部智力活動的核心。

一回到家裡,牛頓就著手驗算自己的無窮級數。在研究級數時,牛頓注意到,要把函數展開為無窮級數必須引入無窮小概念,以保證級數具有收斂特性。這一發現本身就是對數學研究的一項重要貢獻。然而,牛頓沒有到此止步,他把無窮小引進到笛卡兒的座標系中,對函數關係中自變量的無窮小量變化與相應的函數變化量之間的比例和關係加以考查,從而發現了有史以來人類所掌握的最為強有力的數學分析工具——微分方法和概念,他當時稱之為流數法。

牛頓進一步發現,這種流數法可以直接用,也可以反著用。直接用時,可以求出曲線的切線(或函數的導數);反著用,可以由切線求出曲線,或由導數求出函數,還可以十分方便地計算曲線包圍的面積。

牛頓的流數法和反流數法,就是我們今天所熟知的微分方法和積分方法。

發現二項式定理和微積分,在數學史上是個重要的里程碑。不過,當時才23歲的牛頓並沒有充分意識到這一點。他關心的並不是數學,而是物理世界的結構和運動。在他看來,他新近發明的數學方法只是解題和運算的工具,它們是用來解決物體運動問題的。

有人說,偉大的數學天才牛頓只在世上存在了6個月左右,然後,數學天才牛頓就突然變成了物理學天才牛頓。

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牛頓關於月球理論的手稿

之後,有了神計算功夫的牛頓開始轉向對他最感興趣的“太陽、地球、月亮、星星”等天體的研究。他整日裡計算驗證大學時期的各種未竟的研究。

“牛頓因蘋果落下發現萬有引力”是一個家喻戶曉的故事,這個故事的確發生在他宅家的時期。那時,他正處於研究天體運行規律的深度思考,一個偶然的現象,才能觸動他的靈感,讓他發現萬有引力。之後牛頓發表的萬有引律定律及成果,成為奠定了他物理學研究的基礎。而這些研究成果,始於宅家時期。

宅家時期的牛頓非常亢奮時期,他在伏案苦思、研究之餘做什麼呢?

他觀察太陽光。他終生都有這一愛好,在凝望著太陽光輝的同時陷入沉思。在這個過程中,牛頓想到,太陽光經過稜鏡發生色散的現象表明,當時人們普遍使用的折射式望遠鏡必定是不完善的,因為透鏡的每一個局部都是某種形式的三稜鏡上。兩年以後,牛頓終於發明出與普通望遠鏡原理不同的反射式望遠鏡,徹底消除了色差現象。

牛頓的這項研究,是他在那不朽的18個月中作出的又一重要成果。

“這時的牛頓,真是才思泉湧,處於創造力勃發的最佳狀態。在這“心志最苦”的不朽的18個月裡,他的思想遨遊在抽象的數學王國和神奇的星空之中,忘記了時間,忘記了現實,也忘記了鼠疫就在身邊肆虐,那萬戶蕭疏鬼唱歌的慘景似乎從未觸動過的他的神經,噴瀉而出的超人才智完全控制了他的身心。”

瘟疫之後,牛頓攜“宅出的成果”回劍橋,從此走向輝煌

1667年4月,牛頓重返劍橋大學。作為一般的畢業生,剛剛大學畢業,還從未發表過研究成果,沒有任何名望。是不會受到任何重視的。

但此時的牛頓不同,在潛心研究的18個月裡,他發現的二項式定理和流數法,讓巴羅教授讚歎不止。牛頓憑實力成為巴羅教授的研究助手。

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現代雕塑:計算著的牛頓

不僅如此,1667年10月2日,牛頓正式成為劍橋大學三一學院的研究員。之後一年,他為英國科學界所認識。

6年後,牛頓成為全歐洲公認的最優秀的數學家和最重要的自然哲學家。

20年後,他寫就了使他千秋萬代聲名永駐的最偉大的科學著作,併成為英國無可爭議的科學界的領袖和統治者,而他的思想和理論則在世界科學中處於主導地位達300年之久。

遼海出版社《牛頓傳》、

北京大學出版社澎湃號《1665年倫敦鼠疫,牛頓做了什麼?》

搜狗百科詞條《艾薩克·牛頓》

■裴紅川


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