《人類科學技術史-229》萬有引力發現的居先權之爭

萬有引力發現的居先權之爭
1.爭論的開始

1693年，英國皇家學會的百余名會員云集倫敦，舉行一年一度的年會。這是皇家學會創立以來的第31屆年會。同以往的年會一樣，會員們各自報告了一年來在科學研究中所取得的新成果。

在本屆年會即將結束時，皇家學會總干事、年近六十的老會員胡克發表了一項重要聲明。胡克在這項聲明中說，引力的平方反比定律是他首先發現的，而牛頓剽竊了他的成果。聲明指出，牛頓在《自然哲學的數學原理》(以下簡稱《原理》）一書中，把引力的平方反比定律的發現完全歸功于自己，這是不公正的。胡克的聲明引起了與會者的思想混亂。

本來，根據皇家學會的要求，牛頓早在1684年11月至12月間即開始寫作《自然哲學的數學原理》，并在1685年夏完成了第一卷，1686年，牛頓又完成了第二卷，并開始寫作第三卷。1686年春，當牛頓向皇家學會提交第一卷后，卻未能在當年出版，其原因，一是皇家學會湊不出足夠的出版經費；二是皇家學會總干事胡克對書中的引力的平方反比定律發現的居先權提出了異議，胡克認為，引力的平方反比定律是他首先發現的，正是他的發現引導牛頓發現了萬有引力定律。但是牛頓在書稿中卻對胡克的發現只字不提，因此，胡克不同意此書的出版。

《原理》在當年未能出版的后一個原因的內幕，牛頓開始并不知道。過了一段時間之后，哈雷才向牛頓透露了這一內幕。1686年5月22日，哈雷在給牛頓的信中說："我應當告訴你一件事，就是胡克先生對于你的重力減小到中心的距離的平方成反比這個法則的發明還有一些要求。他說你是從他那里得到這個概念的。……胡克先生希望你在序言中稍微提到他一下。"這樣，胡克就通過哈雷，向牛頓提出了萬有引力發現的居先權之爭。

對于胡克的提議，牛頓起初表現得比較克制，因為他對這位年長的科學家還是尊重的，牛頓在同年5月27日給哈雷回信時說："感謝你寫信給我，告訴關于胡克先生的一切。"又說，希望能與胡克之間"保持良好的了解。"由此看來，牛頓起初對胡克的提議并不在意。

但此后不久，當牛頓聽說胡克在一次會議上說牛頓的引力平方反比定律是剽竊他的成果時，牛頓表示了憤慨，同年6月20日，牛頓在給哈雷的信中，駁斥了胡克對于萬有引力發現居先權的要求。牛頓說，他再也不能寬恕這個粗鄙無能的胡克了，并指責胡克是想"要拿走步其后塵的以及走在他前面的人的所有發明。"由于憤慨，牛頓不想發表他的《原理》第三卷了。

哈雷接到信后，立刻回信牛頓，對牛頓進行了寬慰和勸導。哈雷說："我衷心地感到歉疚。"又說："在這全人類都應該向你表示感激的事件上，你竟碰到了使你不安的事情。……現在我必須再次懇求你，不要讓你的怒火沖天，以致使我們失去你的第三卷。"哈雷的寬慰和勸導使牛頓逐漸恢復了平靜。牛頓在回信中表示了愿意和解的態度，并答應了哈雷的要求，加緊了《原理》第三卷的寫作和修改。1687年4月6日，牛頓把《原理》的第三卷也提交給了皇家學會。

牛頓從1684年11月至12月間開始寫作《自然哲學的數學原理》的第一卷，到1687年4月提交《原理》的第三卷，經過兩年多的緊張工作，這部用拉丁文寫作的三卷本科學巨著，終于全部脫稿了。

《原理》的三卷手稿全部提交給皇家學會之后，由于皇家學會一時湊不出足夠的出版經費，同時由于胡克提出的萬有引力發現居先權的爭議，皇家學會無法出版。最后，哈雷慷慨解囊，于1687年5月資助出版了牛頓的這一著作。

可是，事過6年之后，胡克又提出了萬有引力發現的居先權問題，這不能不使與會會員大為驚異，同時也使牛頓本人深感震驚

2.爭論的原因

胡克是17世紀中期的以天文學、力學、光學、生物學和化學等方面的成就著稱的科學家。

胡克在力學中的建樹，表現在他的力學實驗中，胡克在1659年對格里凱抽氣機進行了改革，并用這種抽氣機協助化學家波義耳進行大氣壓力實驗，使波義耳發現了大氣的體積與壓力成反比的定律，即著名的波義耳——馬略特定律。此外，胡克還進行過彈性力學的實驗研究。他在彈簧的應力實驗基礎上，發現彈性物體的應變與應力成正比的定律，即著名的胡克定律。這一定律雖然直到1676年才以字謎的形式陳述出來，并遲到1678年才以定律的形式發表出來，但胡克本人早在1660年發現了這一定律。

那么胡克對萬有引力發現的居先權是否真實？這要從引力理論發展的歷史源流來說。

17世紀初，吉爾伯特發表《磁石論》，天體和地面物體運行的力學規律即已受到天文學家和物理學家的重視。吉爾伯特已試圖運用磁力理論對天體運行的力學規律進行探討。而伽利略的落體定律及其朦朧的引力觀念、開普勒的行星運動的三定律及其最初的天體引力思想，事實上已分別在力學和天文學的領域內播下了萬有引力定律的理論種子。

但是，在開普勒發現行星運動的第三規律和提出最初的天體力學理論后，他的理論思想在半個世紀之內未引起人們的充分重視。只是到了六十年代中期，人們才重新關注這一問題。在意大利、荷蘭、英國、相繼出現了一些引力問題的研究者。

1666年，意大利物理學家博雷利(1608-1678年）重新提出了開普勒的引力理論，博雷利是比薩大學的數學教授、佛羅倫薩實驗學院的院士。他繼承了伽利略的力學傳統，同時吸取了開普勒的引力思想。博雷利在研究行星的運行軌道時認為，行星軌道之所以是橢圓軌道，是由兩種相反的力合成的效果。其一是把行星吸向太陽的引力，其二是使行星離開太陽的離心力。這兩種力合成之后，其運動就像用繩索系住石頭后讓它旋轉一樣。博雷利提出這一假設之后，未能對這一假說進行數學論證。但博雷利重新提出行星軌道的力學問題，說明研究引力理論的條件已經成熟了。

荷蘭著名物理學家惠更斯在研究動力學的過程中，也研究了引力問題。1673年，惠更斯發表了他的動力學著作《擺鐘論》。在這一著作中，惠更斯論述了他所發現的向心力定律：即當一定量為m的物體以速度V在半徑為r的圓上運動時，其向心力所產生的加速度a為V2／r。向心力定律的發現傳到英國后，直接推動了牛頓對萬有引力定律的研究。

在英國，則出現了更多的熱心的引力理論研究者，因為此時行星運動的引力問題已成為英國最吸引人的前沿科學問題。由于開普勒定律的影響，不少科學家都發現了太陽對于行星的引力，并且推測到這種引力隨行星到太陽的距離的平分成反比的變化。后來，由于惠更斯發現的向心力定律的影響，天文學家和物理學家進一步被吸引到引力問題的研究中，其中，牛頓、胡克、哈雷和雷恩便是試圖攻下引力問題這一科學難關的最熱心的代表人物。

胡克的引力問題研究是以伽利略的運動力學為基礎的，胡克在研究中發現，如果用伽利略的慣性原理解釋行星運動規律，必然要從力學理論上引出這樣兩個問題：其一，使行星軌道彎曲成圓或橢圓所需要的向心力；其二，證明太陽的引力提供了行星運動所需要的向心力。這兩個問題都需要研究向心力或引力隨兩物間距離的變化而變化的規律。胡克正是從這一問題走向引力定律研究的。

1662年至1666年間，胡克根據他的上述推想，進行了一項試圖探索引力隨距離變化的引力實驗，他在深井和高山上量得同一物體的重量，試圖通過同一重物在與地心處于不同距離時的重量差，來求得引力隨兩物體之間的距離的變化規律。但實驗沒有成功，因為山的高度與地球的半徑相比是微不足道的。

1664年，當雷恩在與胡克的一次聚會中商討慧星的軌道問題時，胡克根據他當時對引力問題的研究，指出當慧星靠近太陽時，其軌道是彎曲的。而慧星軌道彎曲的原因，正是來自太陽的引力。

惠更斯在1673年發現向心力定律之后，為引力定律研究提供了新的理論借鑒。因為運用這一定律，即可以從開普勒的行星運動的第三定律直接推導出引力的平方反比定律。雖然惠更斯本人可以做到這一點，但他卻未從理論上做出這一推導。

惠更斯的向心力傳到英國之后，立即引起了牛頓、胡克、雷恩、哈雷等人的重視。1674年，胡克提出了關于引力的三條假設。第一，一切天體都有傾向自身中心的吸引力，這種力又作用于其他天體。因此，不僅太陽和月亮對地球的形狀和運動發生影響，而且地球對太陽、月亮同樣有影響，其他行星對地球的運動也都有影響，從而指出了引力作用的普遍性。第二，作直線運動的任何天體，在沒有受到其他作用力使其偏斜之前，繼續保持直線運動不變；受到其他力的作用時，它的直線軌道就會傾斜，沿橢圓、正圓軌道或某種復雜的曲線運動。這就找出了吸引力同天體運行軌道的聯系。第三，物體離吸引中心越近，所受到的吸引力越大，具體數量關系尚待實驗中解決。我們一旦知道了這個數量關系，就可以很容易地解決了天體運行的定律了。

1680年初，他又明確地提出引力同距離平方成反比的思想。所以英國科學史專家貝爾納認為，萬有引力的基本概念是屬于胡克的，但他缺乏牛頓那樣的數學才能，所以沒能明確地提出萬有引力的公式。

在相繼發現引力的平方反比定律之后，由于種種原因，胡克未能對引力的問題進行更深入的研究。只有牛頓以引力的平方反比定律的發現作為他研究萬有引力定律的新的起點，向著萬有引力定律的目標繼續前進，并最終發現了萬有引力定律。

發現引力的平方反比定律并不等于發現萬有引力定律，這一點，胡克本人也是清楚的。在牛頓尚未發現萬有引力定律之前，胡克曾在1679年寫信給牛頓，問他能否根據向心力定律和引力的平方反比定律，證明行星運動是橢圓軌道運動。胡克不僅在這一信中提出了這個問題，而且指出了解決這一問題所在。胡克認為，證明中的最大困難，是如何把太陽和行星這樣龐大的天體質量，都看作好像是集中在它們各自的中心點來處理。顯然，胡克的這一力學思想與力學方法，與牛頓后來在1683年所采用的把兩天體同時作為兩個質點來處理的方法是一致的。在這一力學思想和力學方法上，也許牛頓確實曾受到過啟迪，因為胡克的這一思想和方法的提出，要比牛頓實際運用質點力學的處理方法早4年。而牛頓又是確實知道胡克提出的這種類似質點觀念的思想和方法的。因此，就這段史實來看，胡克向牛頓提出萬有引力發現居先權之爭，確實也事出有因，有理可據，因為牛頓確實有可能從胡克的信中受到理論和方法上的啟示。

1679年，牛頓沒有能夠回答胡克的來信中提出的問題，因為牛頓本人在萬有引力定律上尚處于躊躇不前的狀態。

1684年，哈雷在研究開普勒的行星運動的第三定律時，認為向心力也是與距離的平方成反比的，但哈雷自己當時尚無力從數學和力學上證明這一點。因此，哈雷與雷恩和胡克的一次聚會中，把他的發現作為一個問題提了出來。胡克當即聲稱，他可以證明出來。可是，他并未真正拿出這一問題的證明來。據說他當時曾聲稱，他要等到別人試作的證明都失敗以后，他才把自己的證明拿出來，這樣人們才會真正賞識他的功勞。由于胡克素有吝嗇和愛譏嘲的名聲，因此雷恩和哈雷均對胡克采取不信任的態度，同時由于哈雷對胡克的證明不滿意，所以1684年8月，哈雷帶著萬有引力定律的證明問題，專程前往劍橋大學三一學院向牛頓請教，牛頓說這個問題他已經證明出來了。

這樣，當牛頓于1684-1685年在劍橋作了題為《論天體運動》的講演之后，特別是牛頓在1886年春天向皇家學會提交《自然哲學的數學原理》的第一卷之后，一場萬有引力定律發現的居先權之爭也就隨之爆發了。

胡克提出的居先權之爭并非毫無理由，他與牛頓大體同時發現了萬有引力，但他們在這一發現上所取得的成就不是等同的。這種差異集中表現在：牛頓不僅發現了萬有引力，而且最終論證了萬有引力定律；胡克在引力問題的研究上雖然比雷恩和哈雷更深入一步，發現了萬有引力，但并未能像牛頓那樣證明萬有引力定律。他們在萬有引力問題的研究中所以表現出明顯的差異，是由于他們兩人在科學思想、科學方法和數學基礎方面的差異造成的。