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作者：王爽中山大学物理与天文学院研究员，科普作家
编辑：婉珺
充满苦难的少年时代
1643 年 1 月 4 日， 艾萨克·牛顿（Isaac Newton）出生在英格兰乡下一个叫伍尔索普（Woolsthorpe）的小村庄。他的父亲是一个还算富裕的小农场主，母亲是一个家道中落的乡绅的女儿。然而就在牛顿出生前 3 个月，老牛顿因病去世。临死前，别人让他在遗嘱上签字，由于不会写自己的名字，老牛顿就在上面签了一个大写的“X”。
牛顿故居。图片来源：Wikipedia
牛顿是一个早产儿，出生的时候特别瘦小；按他妈妈的话说，甚至可以放进一个 1 升大的马克杯里。迫于生计，牛顿的妈妈在他 3 岁那年嫁给了一个年纪是她两倍以上的老头子。这个老头不喜欢小孩，所以牛顿被留在了自家的农场，由外婆抚养。牛顿特别痛恨自己的继父，曾经想一把火烧了他的房子。直到牛顿 10 岁的时候，继父也过世了，他妈妈才搬回来与他同住。
12 岁那年，牛顿被送到附近的城镇去上中学。他寄宿在一个药剂师家的阁楼上，并养成了写日记的习惯。牛顿的中学生活依然极度艰难。药剂师的两个儿子对牛顿都很不友好；在学校里，由于矮小的身材、孤僻的性格以及遗腹子的身份，牛顿饱受霸凌，甚至经常在放学后被打得鼻青脸肿。在一本日记中，牛顿曾多次哭诉，说他的中学生活如同“地狱”。
刚开始的几年，牛顿的成绩并不好。所以在 16 岁那年，他妈妈强迫他退了学，好回家帮忙干农活。幸好牛顿的中学校长觉得这个孩子有潜力，专门跑到牛顿家去游说；再加上牛顿的舅舅也觉得外甥是可造之材，答应会在经济上帮忙，牛顿才得以重返校园。我们应该感谢这两位有识之士。要是没有他们，整个人类的文明史都会改写。
重回校园的牛顿变得特别努力，很快就成了全校最好的学生，并在 18 岁的时候考上了剑桥大学的三一学院。从那以后，牛顿的人生变得焕然一新。但苦难的童年和少年时代还是在他的身上留下了不可磨灭的印记，终其一生，他都极度孤独。
冉冉升起的学术新星
当时剑桥大学的学生分为三类：贵族学生、普通学生和减费学生。贵族学生的学费很贵，但也享有很多的特权，例如只用 3 年就可以从大学毕业；普通学生交正常的学费，像今天的大学生一样，需要用 4 年才可以从大学毕业；减费学生几乎不交学费，但他们必须要给教授和贵族学生当佣人，来维持半工半读的生活。牛顿是减费学生，在因为学业成绩优异而获得一笔丰厚的奖学金之前，他当了 3 年的佣人。
剑桥大学三一学院中具有哥特式建筑风格的庭院“巨庭”（The Great Court）。图片来源：Andrew Cunn
在三一学院的前两年，牛顿一直都在图书馆里自学。第三年，他遇到了自己的伯乐——第一任卢卡斯数学教授（剑桥大学的一个荣誉职位）艾萨克·巴罗。在巴罗的指引下，牛顿对数学产生了浓厚的兴趣，并在 22 岁那年发现了广义二项式定理。这是牛顿做出的第一个重大的成果。由于这个贡献，他被录取为了三一学院的研究生。
但就在牛顿即将开始他的研究生生活之际，伦敦突然爆发了一场大瘟疫。为了保护师生的安全，剑桥大学决定遣散学生，让他们回乡下避难。无奈之下，牛顿只好回到伍尔索普村，并在那里进行了 18 个月的科学研究。那 18 个月，后来成了科学史上永恒的传奇。因为在那短短一年半的时间里，牛顿完全靠一己之力开创了三门影响深远的学科：微积分、力学和光谱学。
1667 年，伦敦的大瘟疫终于平息下来，牛顿也得以重返剑桥。在那里，已经是世界最顶尖科学家的牛顿，很快就开始绽放光芒。1669 年，巴罗主动让贤，推荐当时只有 26 岁的牛顿出任第二任的卢卡斯数学教授。3 年后，因为发明了世界上第一台反射式望远镜，年仅 29 岁的牛顿被选为了英国皇家学会的院士。
一生之中最大的敌人
但没过多久，牛顿就在皇家学会的会议上遇到了他一生之中最大的敌人。此人就是英国物理学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）。
遗憾的是，胡克在世时的画像恐怕都没能留存下来。这是历史画家 Rita Greer 根据胡克两位同事对他的描写创作的胡克画像。画中展现了弹簧、怀表、化石，以及一张“大火”（Great Fire）后的伦敦地图。1666 年伦敦发生了严重火灾，火势蔓延 4 天，烧毁了城中建筑。火灾后，胡克参与了伦敦的重建。图片来源：Rita Greer
同牛顿一样，胡克也有一个苦难的童年。他从小体弱多病，所以小时候就没去学校，而由他爸爸在家里给他授课。13 岁那年，他爸爸去世了，为了维持生计，胡克只好背井离乡，跑到伦敦去当学徒。幸好，他考入了威斯敏斯特中学，然后又考入了牛津大学。
20 岁时，胡克成为英国化学家罗伯特·波义耳的助手，并在不久之后逐步建立起了自己的学术声誉。25 岁，他发现了后来被称为“胡克定律”的力学规律。28 岁，他又发明了一个高分辨率的显微镜，首次看到了植物细胞的细胞壁，并提出了“细胞”的概念。由于这些贡献，胡克也在不到 30 岁时就被选为英国皇家学会的院士，并被人们誉为“伦敦的达芬奇”。
成名后的胡克逐渐变得傲慢起来，开始时不时地打压新人。1672 年，他就盯上了一个新人，那就是已经声名鹊起的牛顿。
应皇家学会的邀请，牛顿到了伦敦，做了一场关于光学的演讲。在这场演讲中，牛顿提出光是由一个个粒子构成的。没想到演讲一结束，胡克就跳出来砸场子，宣称光其实是由波构成的。皇家学会外籍院士、荷兰物理学家惠更斯也随声附和，对牛顿的光学理论大加指责。这最终引发了一场持续了整整一年的大论战：光到底是粒子还是波？
这场论战给牛顿带来了很大的伤害。由于唤起了少年时代惨遭霸凌的经历，他甚至一度威胁要退出皇家学会。在皇家学会秘书奥登伯格的调解下，双方最终达成了“和解”。但从那以后，牛顿就开始在剑桥“隐居”，不再对外发表自己的学术成果了。
牛顿的复仇
但牛顿和胡克的孽缘并没有结束。1679 年，胡克给牛顿写了封信，说他刚被任命为皇家学会的秘书，想要了解一下各位院士近期的科学研究。在进行了一系列关于力学的讨论后，胡克告诉牛顿，他认为任意两个物体之间都存在引力，而这个引力与物体间的距离平方成反比，这就是所谓的平方反比律。但问题是，胡克只是提出了这么一个猜想，却完全无法证明它的正确性。
早在几十年前，波兰天文学家开普勒就发现了著名的开普勒三定律。根据开普勒三定律，太阳系中所有的行星都在沿椭圆轨道环绕太阳运动。所以有些科学家就猜想，平方反比律和开普勒三定律之间应该寻在着某种联系。但问题在于，要想证明两者之间的因果联系，必须用到一个当时还不存在的数学工具，那就是微积分。
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而牛顿正是微积分的发明者。事实上，他正是为了解决这个力学难题，才发明了微积分。换句话说，牛顿是真正的天选之人；除了他以外，世界上没有任何一个人有能力解决这个科学史上最有名的难题。
1687 年，在英国天文学家哈雷的资助下，牛顿出版了人类科学史上最伟大的著作 — 《自然哲学的数学原理》（Philosophi Naturalis Principia Mathematica），人们经常简称它为《原理》。在这本书中，牛顿提出了著名的牛顿运动学三定律和万有引力定律，并利用他发明的微积分，证明了从引力的平方反比律出发可以推导出开普勒三定律。这本书的出版，让牛顿名满天天，或者按哈雷的话说，成了“世界上最接近神的人”。
胡克又给牛顿写信，要求牛顿修订《原理》，承认自己才是平方反比律的发现者。这个要求彻底激怒了牛顿。他给胡克回信，说这个定律根本不是胡克提出的，而是一个尽人皆知的事实；早在 1645 年，法国天文学家布利奥就已经提出了此定律。所以作为对胡克要求的回应，牛顿直接删光了《原理》中所有涉及到胡克的文字。
不仅如此，为了嘲讽胡克，牛顿还在回信中说了这么一句话：“如果我能看得更远一点的话，是因为我站在巨人的肩膀上。”其中的潜台词是，“我的成就，与你胡克这个驼背的矮子无关！”搞笑的是，这句用来骂人的话，后来竟然成了一句用来形容牛顿谦逊的名言！
《原理》出版以后，两人的斗争就失去了悬念。随着牛顿的步步高升，胡克在皇家学会的地位也越来越被边缘化。1703 年，胡克逝世。同一年年底，牛顿就当上了英国皇家学会的会长。他对昔日打压自己的胡克进行了残酷的报复，关闭了胡克的实验室，烧毁了胡克的画像，还抹掉了胡克在皇家学会的一切痕迹。
牛顿曾持有过的《原理》，现存于英国剑桥大学三一学院的莱恩图书馆中。书中有牛顿自己的为后一版本做的修订。图片来源：Andrew Dunn
天生牛顿，万物生明
1693 年，剑桥大学发生了一场大火，烧毁了牛顿的实验室。牛顿的很多手稿都在这场大火中付之一炬。从那以后，牛顿逐渐告别了埋头科研的生活，开始了自己的另一种人生。
1696 年，在新任英国财政大臣的帮助下，牛顿当上了皇家造币厂的督办（即二把手）。1700 年，他升任为皇家造币厂的厂长。
在 17 世纪，英国一直实行银本位的制度。换句话说，银币是英国的主要货币。但银币有一个很大的缺点，那就是特别容易受到磨损，而逐渐发生贬值。牛顿经过仔细的调查研究，指出白银的衰落已经不可逆转，不如干脆放弃银币，把金币作为国家的主要货币。1717 年，英国议会通过决议，把黄金和英镑正式挂钩，这就是著名的金本位制度的起源。牛顿也因此而被后人称为了“金本位之父”。
当然，牛顿也不是完人。他因为买了很多南海公司的股票而巨亏两万英镑，相当于他在剑桥大学工作 100 年的薪水。牛顿事后感叹到：“我能计算天体的轨迹，却无法预测人性的疯狂”。
不过，这两万英镑对当时的牛顿已经不算什么了。他当时是皇家学会会长兼皇家造币厂厂长。要是换成今日中国的官职，相当于中国科学院院长兼中国人民银行行长。
1705 年，牛顿被安妮女王册封为爵士，成了世界上第二个被册封为爵士的科学家（第一个是弗朗西斯·培根）。1727 年 3 月 31 日，牛顿与世长辞，并成了世界上第一个享受国葬待遇的科学家。著名的法国启蒙思想家伏尔泰亲眼目睹了牛顿的葬礼，并在回忆录中写到：“英国人悼念牛顿就像悼念一位国王。”
后世对牛顿有数不清的赞美。其中流传最广的是英国诗人亚历山大·蒲柏的一首诗：
Nature and nature's laws lay hid in night; God said "Let Newton be" and all was light.
（道法自然，旧藏玄冥。天生牛顿，万物生明。）
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