苹果树下开启的伟大时代

一切始于艾萨克·牛顿。

不，我还是收回这句话吧！确切地说，与黑洞攀得上关系的研究实际上可以追溯到比牛顿那个时代早得多的时期，你可以说它始于遥远的古代。早在那时，许多头脑机敏的人——那些早已被我们遗忘的那个时代的“牛顿”和“爱因斯坦”们，困惑于人类的双脚为何总是无法长时间脱离地面，似乎长在地上、扎了根似的。即使人类的智慧刚刚萌芽，但仍自然而然地对这个显而易见的问题提出了疑问。

问题的核心在于引力。引力不仅左右着行星围绕太阳的运动，也会令秋天的树叶翩然落向地面。这件事看似理所当然，理解起来却花费了人类几百年的时间。为何物体总是被向下吸引，继而落到地面上呢？两千多年前，亚里士多德等古代先贤们对这个问题有着合情合理的答案：因为我们的星球位于宇宙的正中心，因而所有的一切都自然而然地落向这里——无论是人、马匹，还是车子或者水桶，一切都趋向于这个最“正确”的位置。总而言之，人类稳固地立足于地面之上，这是再自然不过的事。

这个解释听起来近乎完美，也很契合人们对于日常生活的体验，因此在随后一千多年的时间里，人们确信，地球就是宇宙的中心，直至尼古拉·哥白尼的出现。这位波兰传教士戏剧性并且永久性地改变了人们的宇宙观。1543年，哥白尼大胆断言，地球与其他所有行星一样，都是围绕着太阳运行的。这个说法其实并不新鲜。公元前3世纪，古希腊萨摩斯岛的阿利斯塔克就提出过类似观点。不过，从哥白尼开始，日心说才正式确立。从此以后，地球不再享有宇宙中心的尊贵位置，也不再静静地等待着万物如雨点一般地落下来；相反，地球由于受到了某种力量的牵引而围绕着太阳运动——舞台中央的地位已被太阳所占据。这种新的星球排列学说促使欧洲最具才智的科学家们开始重新思考引力规则和行星运动的潜在规律。

挑战在继续。

1600年，英国物理学家威廉·吉尔伯特提出，地球是一块巨大的磁体。受此启发，德国天文学家约翰尼斯·开普勒猜测，行星的运动依赖于来自太阳的磁力。17世纪30年代的法国哲学家勒内·笛卡尔则独辟蹊径，假设有一种被称为“以太”的稀薄物质弥漫于整个宇宙并形成涡旋，行星如同落叶一般被困于旋转的以太涡流里。

当英国科学家艾萨克·牛顿于1687年提出一套更为严谨的引力和行星运动定律后，以上所有观点最终都被推翻。就在这一年，牛顿出版了奠定其大师地位的《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica），即今天我们所熟知的《原理》（The Principia）。牛顿当时已经44岁，但早在青年时期，万有引力学说就在他脑海中生根发芽了。

英格兰乌尔斯索普庄园中那棵著名的苹果树（图片中部）。传说艾萨克·牛顿就是在这棵苹果树下看见苹果落向地面，从而开启了对万有引力的思考。（资料来源：美国物理研究所埃米利奥·塞格雷视觉档案室）

这要从1665年英王查理二世复辟、伦敦爆发大瘟疫之时说起。为了躲避瘟疫，牛顿不得不暂时中断在剑桥大学的学业，回到位于英格兰东部的乌尔斯索普庄园。他的童年在这里度过，也正是在这里，这位聪明绝伦的学生才有可能看到那颗传说中落在苹果园地面上的苹果，从而启发了他对物体加速落向地面这一现象的思考。他自问，使苹果往下坠落的力和使月球围绕着地球运动的力是否是性质相同的力？作为自学成才的数学大师，牛顿通过计算得出：在月球似乎不停地向地球“坠落”的过程中，其运行轨道变得弯曲，这种弯曲是由于地球拉拽月球的引力造成的，且引力的大小随着距离的平方递减。也就是说，两个物体之间的距离每增加一倍，它们之间的引力会减少到原来的四分之一。当它们之间的距离是原来的三倍时，引力就只有原来的九分之一了。从数学上说，这是一种迹象，间接地暗示了引力是均匀地朝着四面八方辐射的。但因为早期的计算还不够精确，牛顿便把这个问题搁置起来。“他犹豫不定、内心挣扎，”牛顿的传记作者理查德·韦斯特福尔这样写道，“一时被其间的纷繁复杂给困住了。”

这一搁置就是多年，直到17世纪70年代。当时，英国皇家学会实验管理员罗伯特·胡克提出一系列极具吸引力的假设来阐释引力：所有天体的运动都是引力作用的结果；天体本身也会吸引其他天体；距离越近，天体之间的引力就越大。不过，胡克提出的是一般性假设，尚未加以量化。正如他在自己发表的论文中指出的那样，他不清楚行星的运动是否必然“以圆形、似圆形（即椭圆）或其他更为复杂的曲线为运动轨迹”。在1679年进入1680年的那个冬天，胡克与牛顿就引力问题互通信件。以此为契机，牛顿对这一青年时期早就思考过的问题重燃兴趣。

尽管牛顿已取得了革命性的成果，却对此秘而不宣。他的自我保护意识极强，担心遭到对手胡克的嫉妒。他害怕自己的研究成果一旦公开，可能会受到一些总喜欢吹毛求疵的人的指责。在给一位同行的信中，牛顿坦言：“我羞于将任何可能引起纷争的研究成果公开发表。”《原理》一书能够顺利问世，埃德蒙·哈雷（著名物理学家，哈雷彗星因之命名）功不可没。哈雷曾于1684年询问牛顿，一颗遵循平方反比律⁽¹⁾的行星会如何运行，牛顿肯定地回答“似圆形”，并声称自己在这方面的计算早到堪称陈年往事了。

从那时起，哈雷成为牛顿最忠实的支持者。哈雷的不断督促和财务上的慷慨支援使牛顿最终答应将他在引力研究方面的成果整理出来。一旦承诺，牛顿再无任何踟蹰。韦斯特福尔注意到，牛顿工作时常常废寝忘食，这种“兴趣所驱使的忘我与沉迷”远非常人可及。哈雷再次点燃了牛顿对引力研究的热情。牛顿暂停了手头正在进行的研究项目，包括古典数学、神学和炼金术，以他那颇具传奇色彩的专注，投入到这本辉煌巨著的撰写中。利用当时人们测量出的更精确的地球半径等数据，牛顿最终明确证明：地球与月球之间的吸引力遵循平方反比律；也正是这种力，直接导致行星以椭圆形轨道运行。这与开普勒在1609年的发现不谋而合。开普勒通过实际观测，得知行星的运行轨道为椭圆形，但并不清楚其原因所在。在开普勒之后几十年，牛顿的数学计算证明，这样的轨道形状正是遵循万有引力定律的自然结果。实际观察与理论工作在此取得了圆满一致。