神说，让牛顿去吧！

牛顿在西方社会的地位非常崇高，有些人认为他在世界历史最有影响力的人中可以排第二，仅次于穆罕默德，甚至排在耶稣和孔子之前。在中国，人们通常只是将牛顿看成一个杰出的科学家，而在西方，人们认为他是开启近代社会的思想家。诗人亚历山大·波普在拜谒牛顿墓时写下了这样的诗句：

自然和自然律隐没在黑暗中；

神说，让牛顿去吧！

万物遂成光明。

这被西方人看成是对牛顿一生最简洁而准确的评价。

在牛顿的时代，科学家（当时叫作自然哲学家）大多是教士、贵族或者富商子弟，因为读书是很花钱的，而做研究更是如此。与牛顿同时代的科学家波义耳出身贵族，而哈雷也出生于富商家庭。牛顿来自一个自耕农家庭，如果早出生100年，可能就要一辈子务农了。好在当时英国经过伊丽莎白一世时期的发展，教育已经开始普及，因此，牛顿小时候被送到公学读书。虽然中途他的母亲一度想让他回家务农，但当时牛顿所在中学的校长亨利·斯托克看中了牛顿的才华，说服了他的母亲，让他重新回到学校读书，从而改变了牛顿的一生。

1661年，牛顿进入剑桥大学三一学院（Trinity College，Cambridge），跟随数学家和自然哲学家伊萨克·巴罗（Isaac Barrow，1630—1677）学习。巴罗教授是第一任“卢卡斯教授”，但是他觉得牛顿青出于蓝，很快便将这个位子让给了牛顿。卢卡斯数学教授席位是全世界学术界最为荣耀的教职，在历史上，著名科学家巴贝奇（Charles Babbage，1791—1871）、狄拉克（Paul Dirac，1902－1984）和霍金（Stephen William Hawking，1942—2018）等人都担任过这个位置的教授。

在剑桥大学，牛顿由于成绩出色，获得了公费生的待遇（相当于今天的奖学金），这样就保证了他无须为生计发愁，可以潜心进行科学研究。于是，在短短几年里，牛顿便在科学研究上硕果累累。1664年，牛顿提出了太阳光谱理论，即太阳光是由七色光构成的，这一年牛顿只有22岁。1665年夏天，剑桥流行瘟疫，牛顿回到家乡伍尔兹索普，在那里度过了近两年的时间，这也是他思想最活跃的时期，做出了近代科技史上很多重要的发现和研究成果，其中包括：发现离心力定律，完成牛顿力学三定律的雏形，明确了力的定义，定义了物体碰撞的动量，等等；在数学上，牛顿发明了二项式定理并给出了系数关系表；在研究运动速度的问题时，提出了“流数”的概念，这是微积分的雏形。

这些成果，任何一项放到今天都可以获得诺贝尔奖。因此，后世把1666年称为科学史上的第一个奇迹年。

牛顿是历史上罕见的能够建立起庞大学科体系的科学家。1669年，26岁的牛顿从他的老师巴罗手里接过了剑桥大学“卢卡斯教授”的职务，随后在这个职位上坐了33年。牛顿的研究领域非常广泛，除了数学，还包括天文学、力学、光学和炼金术等。他构建了近代三个大科学体系，即以微积分为核心的近代数学、牛顿三定律为基础的经典物理学，以及以万有引力定律为基础的天文学。牛顿将这些内容写成《自然哲学的数学原理》（简称《原理》）一书，成为历史上最有影响力的科技巨著。历史上能够建立起一套完整的理论体系的科学家非常少，比如在数学方面，除了牛顿之外，只有欧几里得、笛卡儿和后来的柯西等少数几个人做到了这一点，高斯（Johann Carl Friedrich Gauss，1777—1855）、欧拉（Leonhard Euler，1707—1783）等人的贡献虽然大，但是并没有创建出完整的学科体系。在物理学方面，只有爱因斯坦、玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885—1962）等人做到了这一点。而牛顿则同时在很多不同的领域完成了体系的构建，这在科学史上可能是独一无二的。

牛顿对当时和后世更大、更深远的影响是在思想上，他通过科学成就，改变了人们对世界的认识。

在数学方面，牛顿最大的贡献是发明了微积分，这是今天高等数学的基础。但是在微积分的背后，这个发明的意义更大。在微积分出现之前，数学家研究的对象和解决的问题都是静态的，而牛顿关注到了精确而瞬时的动态计算问题，以及对一个变量长期变化的累积效应的追踪问题。微积分便是解决这两个动态问题的数学工具。此外，牛顿还看到了追求瞬间动态和长期累积效应之间的关系，从而将微分和积分的理论统一起来。从静态到动态，从孤立到统一，数学从微积分开始，由初等数学进入高等数学阶段，这也标志着人类在认识上的一个飞跃。

在物理学方面，牛顿是经典力学的奠基人，他的力学三定律是整个力学的基础。在牛顿之前，科学家发现了很多物理学现象和定律，但是这些知识点是支离破碎的，就如同在欧几里得之前几何学的知识不成体系一样。牛顿是建立起严密的物理学体系的人。而建立一个学科体系，首要的任务是定义清楚各种基本概念。在牛顿之前，那些最基本的物理学概念，包括质量和力，都没有清晰的定义，甚至是相互混淆的。比如人们搞不清楚力、惯性和动能的区别，质量和重量的区别，速度和加速度的区别。今天我们很难想象这一点，但这确实是当时的实际情况。牛顿定义了经典物理学中的这些最基本的概念，比如质量、力、惯性、动能等，然后在此基础上，提出了力学三定律，进而搭建起了经典力学的大厦，再次向世人展示了构建一个学科体系的方法。在牛顿之后，各门自然科学都从知识点向体系化发展。

在光学方面，牛顿提出了完整的粒子说。虽然人类对于光、颜色和视觉的研究可谓历史悠久，比如古希腊的毕达哥拉斯和古原子论的奠基者德谟克利特（约前460—前370）等人认为光由物体表面的粒子组成，阿拉伯人和古代中国人都发现了光的很多特性，但只是零星的描述，缺乏定量、系统的分析。在牛顿之前或者牛顿同时代，也有不少科学家做过三棱镜实验，观察到光的色散现象，并且考虑了颜色的问题，不过他们的解释都很混乱，发现的知识也不成体系（见图5.3）。牛顿超越前人之处在于，他通过大量的实验，建立起完整的光学体系，用各种实验证实了他的理论，并且用理论解释了光学的各种现象。有了完整并可以重复验证的学说体系，人类对规律的认识才可能从自发状态进入自觉状态，并且主动运用理论解决实际问题。比如，牛顿完整的光学理论让他得以自由地将已有的颜色混合产生新的颜色，这也是彩色显示器（电视机）、彩色胶卷和彩色数码摄影背后的光学原理。甚至在艺术上，19世纪绘画艺术中印象派的兴起，也和人类对光学的认识直接相关。

▲图5.3 光的色散

在天文学方面，牛顿通过万有引力定律阐释了宇宙中日月星辰运行的规律，也从理论上解释了他的前辈开普勒的行星运动三定律，这对人类的认知意义很大。因为从此之后，宇宙中星体的运行和各种天文现象都变得可预测了，人类从此有了非凡的自信心。与牛顿同时代的科学家哈雷，利用牛顿的理论，准确地预测出一颗彗星回归的时间。虽然他本人没有能够等到它的归来，但是73年后，这颗彗星真的回来了。这颗彗星也因此以哈雷的名字命名。在牛顿之前，几乎所有的科学发现都需要先观察到现象，才能发现规律。在牛顿之后，很多发明则是先通过理论的推导，预测可能观察到的结果，然后再通过实验证实。后来，海王星的发现、广义相对论、希格斯玻色子的理论，以及引力场、暗物质、暗能量的理论，都是先由理论推导，然后逐渐被证实的。

需要指出的是，牛顿伟大的发现有着历史的必然性。很多人在讲述科学发明的故事时，总爱强调灵感和有准备的头脑的重要性，其实很多发明和发现都是水到渠成的结果。以万有引力定律的发现为例，大家都喜欢谈论从树上落下的苹果给牛顿带来的灵感，但这个传奇的说法实际上是法国思想家伏尔泰杜撰出来的。牛顿发现万有引力定律是一个很长的过程，并非灵机一动想出来的。更重要的是，与牛顿同时代的很多科学家，包括胡克、哈雷等人，都注意到了行星围绕太阳运动需要一种向心力，即来自太阳的引力，只是这些人没有能力完成理论的建立，而牛顿显然比他们高明一些。不过，即使没有牛顿，可能用不了多久，也会有其他科学家发现万有引力定律。事实上，哈雷参与了牛顿《原理》一书的出版，并且是该书第一版的出资人。这些事实说明了科技发展的必然性。

牛顿在思想领域最大的贡献在于将数学、物理学和天文学三个原本孤立的知识体系，通过物质的机械运动统一起来，这就是哲学上所说的机械方法论（简称机械论）。在牛顿和后来机械论的继承者看来，一切运动都是机械运动。

今天我们谈起机械论的时候，可能会觉得那是过时的、僵化的思想，但是在启蒙时代，这种思维方式是非常具有革命性的。机械论这个词本身，是牛顿的朋友、著名物理学家波义耳提出来的。牛顿、波义耳等人用简单而优美的数学公式揭示了自然界的规律，他们告诉世人：世界万物是运动的，那些运动遵循着特定的规律，而那些规律又是可以被发现的。只要利用那些定律和定理，就能制造出想要的机械，合成想得到的光，并且了解未来。在牛顿之前，人类对自然的认识充斥着迷信和恐惧，苹果为什么会落地，日月星辰为什么会升起，天上为什么会出现彩虹，这些在今天看似无须解释的现象，在当时的人们看来都是谜。人类只能把一切现象的根源归结为上帝。直到牛顿等人出现，人类才开始摆脱这种在大自然面前的被动状态。从此，人类开始用理性的眼光看待一切的已知和未知。由于牛顿用机械运动解释万物变化的规律显得如此成功，在牛顿之后的两个多世纪里，发明家们认为，一切都是可以通过机械运动来实现的。从瓦特的蒸汽机和史蒂芬森（George Stephenson，1781—1848）的火车，到瑞士准确计时的钟表和德国、奥地利优质的钢琴，再到巴贝奇的计算机和二战时德国人发明的恩尼格玛密码机（Enigma machine），无不是采用机械思维解决现实难题的范例。

机械思维的一个直接结果是知识的高度浓缩和传递的有效性。几个简单的公式就能讲清楚宇宙运行的规律，这种知识表达和传播的效率超出了之前的任何文明。牛顿将几乎所有到他为止人类所掌握的自然科学知识，用他的两本书《原理》和《光学》就概括了。法国启蒙学者伏尔泰去了一趟英国，就将牛顿的理论带回法国，并且由法国著名女数学家爱米丽·布瑞杜尔（Emilie de Breteuil，1706—1749）翻译成法语，这种知识传播的过程要比过去快得多。

在历史上，除了阿基米德等少数人的发明是直接依据科学理论指导外，绝大多数发明是靠长期经验的积累并逐步改进的结果，而这种方式的发明进步速度非常缓慢。在早期文明中，科学发现和技术发明并没有太直接的关系，直到今天，科学家和发明家还通常是两类人。因此，在历史上很多文明对短期看不到结果的科学研究并不是很重视。科学和技术的紧密结合是从牛顿的时代开始的，牛顿本人兼有科学家和发明家双重身份，他在非常年轻的时候就成了英国皇家学会会员，而这并非靠他在数学或者力学上的成就，而是因为他发明了一种望远镜。由于不同颜色的光具有不同的折射率，所以完全靠透镜折射制造的望远镜一旦增加放大倍数，物体就模糊不清。为了避免玻璃透镜的这个先天不足，牛顿采用曲面反射镜取代凸透镜发明了反射式望远镜，它比伽利略的折射式望远镜清晰而且小巧，后来这种反射式望远镜以牛顿的名字命名。今天世界上最大的太空望远镜詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST），就是应用牛顿望远镜的原理制造的（见图5.4）。而且，在牛顿之后，人类有意识地利用科学知识指导实践，这才使得自近代以来科技进步不断加速。西方科技史学家通常把牛顿视为人类科技史上的标志性人物，因为他开启了近代社会和科学的时代。

当然，在牛顿的年代，科学转化为技术的周期还很长，有时需要半个世纪甚至更长时间，今天，这个周期被大大缩短到20年左右。当然，很多人会觉得20年依然很长，但是一项真正能够改变世界的重大发明，从重要的相关理论发表，到做出产品，再到被市场接受，过程极为复杂，20年一点儿也不长。我们在后面会通过一些例子来告诉大家，这样的全过程是如何完成的。

笛卡儿、牛顿等人生活的时代，是人类历史上的科学启蒙时代，再往后要经过半个多世纪，工业革命才真正开始。在半个多世纪里，另一门重要的科学——化学诞生了。

▲图5.4 詹姆斯·韦伯空间望远镜效果图