伦敦咖啡馆里的轨道问题

1684 年初,哈雷、胡克和雷恩讨论一个当时最棘手的问题:如果太阳对行星的吸引随距离平方减弱,行星会走出什么轨道?胡克声称自己能证明,雷恩甚至提出奖励,但完整推导没有出现。

八月,埃德蒙·哈雷去了剑桥。他三十多岁,已经绘制过南半球星图,也懂得在学者、航海者和皇家学会之间穿针引线。他问牛顿:一个受平方反比力吸引的行星会画出什么曲线?

牛顿回答:椭圆。

哈雷追问证明。牛顿说自己算过,却一时找不到稿纸。换一个人,也许会把这当成学者夸口。哈雷选择等待并催促。几个月后,他收到一份九页手稿《论运动》。那不是谈话的尾声,而是《自然哲学的数学原理》的起点。

苹果不是这本书真正的开端

牛顿年轻时已经思考过月球和地面重力的联系,但早期估算并不完整。胡克 1679 年与他的通信,又把“惯性直线运动与指向中心的吸引共同形成轨道”推到他面前。哈雷的问题则迫使牛顿把零散直觉变成严格证明。

《原理》最重要的统一是:让苹果落下、让月球绕地、让行星绕日的,不再是三种彼此无关的天性。若两个物体质量分别为 m1m_1m2m_2,相距 rr,引力大小可写成:

F=Gm1m2r2F=G\frac{m_1m_2}{r^2}

距离加倍,作用变成四分之一。再加上运动定律,就能从受力推导轨道,而不是只用几何曲线描述天体已经怎样运行。

halleys ellipse 静态力学图 sun sun planet planet e = 0.55 e = 0.55 T = 1 yr T = 1 yr v = 16049 m/s v = 16049 m/s F_g = 1.47e22 N F_g = 1.47e22 N
时间 0yr 动画已调整播放速度,时间读数仍为真实物理时间。
图示说明

动态物理图:halleys_ellipse;展示时间。

这里故意选了偏心率较大的示意行星,让速度变化容易看见。模型从远日点开始:行星在那里移动较慢,接近太阳时明显加快,再回到远日点。播放器用 5 秒展示约一年的真实轨道周期,时间读数仍按物理时间推进。快慢不是视觉特效,而是由 EesinE=ME-e\sin E=M 的开普勒方程求出;因此相等时间内,太阳与行星连线扫过的面积相等。

一本差点被鱼吃掉的书

皇家学会本应负责出版,账上却没有足够现金。它刚为一本豪华鱼类图鉴投入大笔费用,卖得并不好。哈雷当时担任学会职务,不仅编辑、校对《原理》,还承担出版费用。他自己的薪酬一度只能用卖不出去的鱼书抵付。

牛顿也并非容易合作的作者。胡克提出优先权要求后,他愤怒到想删去第三卷。哈雷必须一边安抚牛顿,一边处理排印和资金。1687 年,《原理》终于出版。

哈雷后来因预测彗星回归而家喻户晓,但他在这段故事里的作用不只是“出钱的朋友”。他知道哪个问题值得问,认出了九页手稿的分量,并把一个人的计算变成共同体能够阅读的书。

科学史常为答案命名,却很少为好问题命名。没有哈雷那次拜访,牛顿也许仍会写出力学;但历史不会自动按时交稿。思想需要提问者、编辑、资金和那个愿意继续敲门的人。

史料与延伸阅读