倘若蘋果掉落,那麼月球是不是也掉落?《神的方程式》選摘(1)

2022-05-06 05:10

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文藝復興時期的重生

17世紀期間,好幾位偉大的科學家挺身挑戰既定秩序,投入探究宇宙本質,然而面對他們的是嚴苛對抗和迫害。約翰尼斯.克卜勒(Johannes Kepler)是最早應用數學來說明行星運動的人士之一,他是神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世(Emperor Rudolf II)的皇家數學家,也或許他從事科學研究之時,虔誠納入了種種宗教元素,才得倖免未受迫害。

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當過僧侶的焦爾達諾.布魯諾(Giordano Bruno)就沒有那麼幸運了。1600年,他以異端邪說罪受審並被判死刑。他遭封口並在羅馬赤裸遊街示眾,最後被綁上火刑台燒死。他的首要罪名?宣揚在環繞其他恆星的行星上可能存有生命。

偉大的伽利略,實驗科學之父,險些遇上相同的命運。不過伽利略不像布魯諾那麼頑強,他在死亡之苦威脅下撤銷自己的理論。不過他以他的望遠鏡留下了一項持久遺贈,留給我們科學史上最具有革命性和煽惑性的發明。有了望遠鏡,你就可以自己親眼看到,月球密密麻麻滿隕石坑;金星有不同的相位,而且和它的繞日軌道對應相符;木星有成群衛星,這一切全都是異端邪說。

義大利天文學家伽利略向威尼斯總督多納托(Leonardo Donato)講解使用望遠鏡的方法。(Wikipedia/PD-US)
義大利天文學家伽利略(左二)向威尼斯總督多納托(Leonardo Donato,坐者)講解使用望遠鏡的方法。(資料照,Wikipedia/PD-US)

只可惜,他遭軟禁,不得會見訪客,最後還失明。(據說那是由於他有次用望遠鏡直接觀測太陽所致。)伽利略死時窮途潦倒。不過就在他死亡那年,一個嬰兒誕生在英格蘭,而且他會完成伽利略和克卜勒當初未能完成的理論,也帶給我們一項天空的統一理論。

牛頓的力學理論

以薩.牛頓(Isaac Newton)或許是有史以來最偉大的科學家。在沉迷於巫術和魔法的世界中,他膽敢寫下天空的普適定律,還動用了他發明來研究力的一門新數學,稱為微積分(calculus)。物理學家史蒂芬.溫伯格(Steven Weinberg)便曾寫道,「現代有關最終理論的夢想,從以薩.牛頓才真正開始。」1 在那個時代,它是被當成萬有理論,也就是能描述所有運動的理論。

事情是從他23歲時開始。當時劍橋大學受黑死病疫情影響關閉了,1666年某一天,就在他的鄉間產業上散步時,牛頓看到了一顆蘋果掉落。那時他對自己提出的問題,後來就扭轉了人類歷史的進程。

在牛頓之前,教會教導,世上有2類律法。一類是見於地球上的律法,由於凡人犯罪而腐化了。第2種見於天國,那是純粹的、完美的,而且和諧的律法。

牛頓的理念精髓是要提出一項能含括天與地的統一的理論。他在筆記本中畫出了一幅深切影響未來的圖像(見圖1)。

20220505-圖1:接連發射砲彈並逐步提高能量,於是它最後就會完整環繞地球,回到它的起點。接著牛頓說明,這就能解釋月球的軌道,從而將見於地球上的物理定律和規範天體的定律統一起來。(時報出版提供)
圖1:接連發射砲彈並逐步提高能量,於是它最後就會完整環繞地球,回到它的起點。接著牛頓說明,這就能解釋月球的軌道,從而將見於地球上的物理定律和規範天體的定律統一起來。(時報出版提供)

從山頂發射砲彈,它會先飛行若干距離,隨後才擊中地面。不過倘若你逐步提高砲彈的發射速度,它就會移動得愈來愈遠之後才回到地表,最後它就會完整繞行地球,然後才回到那座山頂。他結論表示,支配蘋果和砲彈的自然定律:重力,也緊抓著月球讓它在軌道上繞行地球。地上的和天上的物理學是一樣的。

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