牛顿的不可抵抗之力

是伊萨克·牛顿并非有意地给教会提供了一个下台阶。在大多数人的心目中，牛顿当然是与苹果从树上落到地下的故事以及引力定律的发现联系在一起的，实际上牛顿在科学的其他领域也做出了巨大的贡献。一些人认为牛顿堪称“现代科学之父”，就像斯蒂芬·霍金对伽利略的评价那样。说到底，对现代科学来说，这两位科学家都是至关重要的。牛顿发展了伽利略的工作，他用一系列数学公式描述了力和受力物体的关系。

虽然牛顿在学生时代没有受过好的数学训练，但他却凭着在数学方面的天赋成为剑桥大学的卢卡斯数学教授——就是斯蒂芬·霍金现在的职位。牛顿所做工作最核心的思想是，如果不受外力作用的话，任何物体都将保持匀速直线运动状态。如果物体静止下来，那么一定是有一种外力阻止了它的运动，比如摩擦力和空气的阻力会使滚动的球静止下来。如果一个物体做加速运动或减速运动，或是改变了运动方向，那么一定是由于有外力作用于其上的缘故。

牛顿用数学方法表示了物体运动速度和方向的变化总是与物体质量和作用力的大小有关。物体的质量是与该物体的大小和重量相关联的一种特性。更准确地说，物体的质量可定义为，与物体在得以启动时所需外力的大小有关的，或者说在物体运动中加速时所需外力的大小有关的一种物理量。

伊萨克·牛顿。他的家庭背景并不很好。

上述的运动定律直到今天还被认为是物理学的基础而在课堂上讲授，理解了它就可以进而正确理解引力。牛顿指出，每一个物体都用一个叫作引力的力吸引其他任何物体。一个有着巨大质量的物体可以把质量小的物体吸引到自身之上来。正因为如此，苹果才会掉到地球的表面之上。实际上，苹果也在吸引着地球，只是因为地球质量远大于苹果的质量，所以地球朝苹果移动的距离微乎其微、无法觉察到罢了。也是因为如此，看起来这种吸引就像苹果掉到地上那样，都是沿着一个方向的。引力是很微弱的，把两个大小差不多的苹果一同放在桌子上，尽管它们之间有很小的引力，却不会吸聚到一起来。而且物体间的距离越大，相互间的引力也就越小。

落地的苹果也许对牛顿有所启发，但他的引力理论中所用的复杂数学，说明他为了提出这个完美的理论，必定花费了很多精力，而绝不仅仅是顿悟的一闪。

以上的结论与伽利略观察到的结果完全一致——两个大小、重量不同的物体总会以相同的速度落向地球表面。地球的质量与一个人可以在地面上抛出的一般物体质量相比较，是非常巨大的。被抛出物体间的质量差在数学方程中的影响则完全可以忽略不计。这就有点像狂风大作时，风施加在橡树叶子上力的大小与风施加在桦树叶子上力的大小间的差值，完全可以被忽略不计一样。

可是，当考虑的是质量巨大的物体——例如太阳、月球和行星与地球相互作用的时候，牛顿意识到，即使是在距离遥远的情况下，它们之间的引力也是至关重要的。如果没有其他外力作用的话，所有这些天体会在空间沿着某个方向移动，这种运动一般都是直线运动，除非某个天体足够接近另一个天体并对后者施加引力。引力可能还不足以大到使两个天体撞到一起，但它会使运动中天体的轨道发生弯曲。于是，在两个天体的质量、运动速度、方向及距离处于一种合适的均势条件下，就会出现质量较小的天体围绕质量较大的天体旋转的情形。

牛顿提出了一个方程来表示这种关系，并且试着把这个方程用于太阳系。当他将这个和引力有关的数学公式应用于开普勒的椭圆轨道时，发现二者符合得非常好。火星、木星、土星的轨道都完全正确。但后来发现通过公式得出的水星轨道与实测的稍有偏离。考虑到所用的公式在计算其他行星轨道时都很精确，计算水星轨道时所发生的问题就被认为是观测误差造成的。由此得出的结论十分清楚，哥白尼和开普勒是正确的。牛顿终于发现了，是万有引力维系着行星在椭圆轨道上围绕太阳运动。

牛顿的名著《数学原理》。书名体现了牛顿取得成就的领域。他第一次用数学描述了宇宙，完全符合当时的观测结果。

300多年前建立起来的牛顿定律，直到今天还在用于计算人造地球卫星的速度和运动轨迹，其结果有着足够高的精度。牛顿取得了天才的辉煌成就。由于证据确凿，教会方面不能再否认是太阳位于宇宙的中心而不是地球位于宇宙的中心了。使得教会比较容易地接受了日心说的还有牛顿的另外一个信念。牛顿不相信宇宙还有一个外部极限的看法——就是托勒密宇宙模型中那个在地球之外、上面镶嵌着恒星的大球。在牛顿的促进下，研制出了新的、威力更大的望远镜。使用这些望远镜进行更高精度观测的结果发现，并非所有的恒星都是固定不动的，它们中一些是在运动着，只不过这种运动慢得几乎察觉不到。由于牛顿运动定律的基本思想是认为任何物体都不会自然而然地处于静止状态，所以通过推理牛顿认为，所有的天体的表现都应该与较近的容易观察的行星相类似。它们都应该处于连续不断的运动之中。只要处于其他天体的引力场内，那么引力就会决定着它们的运动轨迹。如果所有天体都在这样不停地运动，那么宇宙的外部极限又该怎样勾画呢？从逻辑上说，宇宙没有必要一定要有一个边缘。基于这种认识，牛顿假定宇宙没有边界，它在时间和空间上都是无限的。

猎户星座是大多数人都熟悉的，但通过望远镜拍摄的照片显示了比肉眼看到的要多得多的细节。

牛顿的小型反射式望远镜，它向牛顿展示了更多的东西。牛顿是在反射式望远镜中加入一个平面反光镜的第一人。这使得他能用短得多的镜筒获得更高的放大率。牛顿的望远镜很小，但是却成了后来的巨型天文望远镜的原型。

虽然牛顿的这种观点在一定意义上与教会的教义相违背（按照牛顿的观点就很难为上帝创世确定一个准确的时间和地点），但它至少还是支持了一种无限和永恒的观念，而无限和永恒正是教会要给神所赋予的性质。上帝是全智全能的，即有着无限的智慧和能力，那么他所创造的宇宙也应该是无限和永恒的，就像上帝自己一样。至于上帝如何做到这一点，则不是生命有限的凡人所能理解的了。这时，科学和宗教非常不容易地取得了一致，好在在这场观念与智慧的冲突中双方都没有受到伤害。教会方面承认了，在地球并非宇宙中心而不过是围绕太阳旋转的一颗普通行星这个问题上，科学是正确的。而且，教会也不能确认它在祈祷中常常提及的上帝创世到底发生于什么时候。可是在另一方面，科学的境况好不了许多，它不能说明为什么会存在一个宇宙。科学还不能解释关于牛顿的在引力“统治”下的无限宇宙的一个关键性问题：如果所有的物体在对其他物体施加引力，那么宇宙中所有的天体何以会彼此相距很远地存在如此之久呢？在一个无限和永恒的宇宙中，照理说，由于引力作用的存在，所有的物质都会因相互吸引而形成一个唯一的巨大的凝聚体，可是几千年来人们观察到的宇宙却并非如此。

尽管如此，由于牛顿的关于运动和引力的数学定律能极好地与观测事实相符，他的无限和永恒宇宙的观念很快被普遍接受了，就像以前托勒密的宇宙模型风行一时那样。可是，有一点与托勒密的地心模型不一样的是，牛顿的无限模型存在了刚刚超过200年，新的挑战就来临了。

牛顿认为，没有理由给宇宙的范围设定一个边界；恒星，比如金牛座（接近图片中央）和昴星团（上方的一小团恒星）方向上的许多恒星，有可能延伸到我们永远观察不到的距离处。但我们的观察所能达到的距离会有一个极限吗？