【大宇宙小故事】07 蘋果.蘋果.蘋果

撰文|葉李華

西方文化中有三個家喻戶曉的蘋果,一個在伊甸園,一個在魔法森林,另一個在英國鄉間。這三個蘋果,真實性可說一個比一個高。

第一個蘋果是標準的神話,而且《聖經》只提到那是善惡知識樹上的果子,也就是俗稱的禁果,根本沒說它是蘋果還是石榴或是無花果……

第二個蘋果雖然出自童話,但根據近人的考據,背後可能有真人真事當作靈感來源。

而在大多數人心目中,牛頓(Isaac Newton, 1643-1727)被蘋果砸到腦袋則是正史。不過真是這樣嗎?且讓我們好好追根究柢一番。

●蘋果的瑕疵

關於那個蘋果,流傳最廣的故事大致是這樣的:

公元1665年秋,牛頓二十二歲,剛從劍橋大學畢業。由於城市爆發大瘟疫,他回到鄉下老家避難,一待就待了將近兩年。在此期間,他經常坐在蘋果樹下沉思。有一天,一顆蘋果砸到他頭上(一說落在他身旁),讓他靈感大發,隨即悟出萬有引力定律。

這個故事之所以家喻戶曉,一來因為簡單明瞭,二來因為生動有趣,三來還有心理勵志的色彩。但是就科學史而言,它卻充滿瑕疵,堪稱負面教材的經典。

瑕疵之一:沒有任何第一手的證據。在現存的牛頓早期手稿中,完全找不到「萬有引力」的相關內容。雖然根據好友(William Stukeley)的轉述,牛頓在晚年親口講過蘋果的故事,但這無論如何只是二手資料。

瑕疵之二:暗示著在此之前,未曾有人思考過蘋果為何落地。事實上,牛頓之前的學者早就知道物體墜落是受到大地的吸引,只是對於「地心引力」的本質欠缺定論。

瑕疵之三:還暗示著牛頓當下便寫出萬有引力的公式。事實上,即使牛頓真是在這種機緣下想出萬有引力定律,要寫出簡練的公式也絕非一朝一夕的事。

瑕疵之四……

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●不同的靈感來源

因此之故,比較嚴謹的科普文獻(例如BBC的科普影集)採用下面這個版本:

公元1684年,四十出頭的牛頓已在劍橋大學任教多年。有一天,他的朋友哈雷(沒錯,就是「哈雷彗星」的預言者)前來請教他一個天體力學問題,牛頓表示自己早就研究過了,但並未說明是什麼時候的事。

雖然牛頓未能當場找出相關手稿,但幾個月後,他就重寫了一份寄給哈雷(這份手稿流傳至今)。其後兩三年,牛頓將這份手稿大幅擴充,寫成傳世之作《自然哲學的數學原理》,詳細闡述「力學三大定律」以及「萬有引力定律」的相關理論。

這個版本暗示一件事:牛頓或許年輕時就想到了萬有引力定律,但是一直沒有公開,甚至沒有任何作為。多年後,由於哈雷的造訪,才讓牛頓重新燃起這方面的興趣,而且一發不可收拾。

因此我們可以說,在這個版本中,哈雷取代了蘋果的角色。而且顯而易見,這個「哈雷版」有史可考,自然要比「蘋果版」更貼近史實。

話說回來,只要我們肯花點心思,仔細鑽研可靠的文獻,就會驚覺「哈雷版」問題也不小,竟然遺漏了一個關鍵性的人物。

這個關鍵人物是誰呢?他就是名氣遠遜於牛頓的胡克(Robert Hooke, 1635-1703)。如果你盡力回想,也許能把他的名字和「彈簧」或「細胞」聯想在一起。但恐怕你並不知道,這位胡克其實是萬有引力定律的共同發現者。

(萬一你對「胡克」毫無印象,請改用「虎克」在腦海中重新搜尋一遍。)

●重力研究的先鋒

先討論一個名詞問題:「萬有引力」和「重力」到底有何差別?

正確答案是毫無差別,而且嚴格說來,「萬有引力」(universal gravitation)應該改譯為「萬有重力」才正確。「萬有」這個形容詞其實可有可無,只是為了強調「凡是物質都會發出這種力量」而已。

至於「地心引力」則是指地球所發出的萬有引力,換言之就是地球附近的重力。在太空時代之前,它是人類唯一能夠感受到和直接測量的重力。

接下來,我們舉出三個擲地有聲的證據,為胡克爭取遲來的正義。

證據之一:出版於1665年初的《顯微圖誌》是胡克最有名的科學著作。顧名思義,本書的主題是顯微鏡下的世界(所有圖像都是胡克手繪,精確度令人嘆為觀止)。不過在本書最後一章,胡克順便畫了一幅望遠鏡中的月球表面,然後根據月球的地形結構,參照地質學理論,推測其上也有類似「地心引力」的力量。這意味著重力並非地球表面的專利,亦即重力可能具有放諸宇宙皆準的普適性。

通常我們都以為,在牛頓之前未曾有人把地心引力和天文現象聯想在一起。例如哥白尼和伽利略大致繼承了亞里斯多德的學說,認為「天上」和「地下」分屬兩種不同的物理律。但從上面這個證據,可以肯定胡克早在牛頓尚未畢業時,已經做了「天上也有重力」的大膽假設。

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證據之二:胡克曾於1666年在英國皇家學會以《論重力》為題發表演說。在這場演說中,他提到距離越近重力應當越強(但並未寫出精確的關係式),並詳述了自己所做的實驗(比較物體在塔頂與在地表的重量),結論是差異太小,以致無從判定。

證據之三:1679年底至1680年初,胡克和牛頓曾經密集通信,討論天體力學問題(相關信件流傳至今,由此可知牛頓所說的「早就研究過了」應該是指這段時期)。其間胡克主動提到重力的強度反比於距離的平方,亦即重力應當服從「平方反比律」。這代表胡克在十幾年後,對重力的認識更上一層樓,從定性進步到了定量。

雖然由於缺乏反證,我們無法排除「牛頓在年輕時就寫下萬有引力公式」的可能性,但若摒棄一切傳聞,只准證據說話,就得承認這個公式是牛頓和胡克的共同創作,而且是胡克在前面衝鋒陷陣,牛頓則負責擴大戰果。

●真相與真理

希望大家現在都已經相信,第三個版本(胡克版)比前兩個版本更貼近史實。但是,我們能否認為它就是百分之百的歷史真相呢?答案當然是否定的!

原因之一,你永遠無法肯定還會不會有更正確的史料出現。

原因之二,任何歷史論述──無論是用文字、圖表、影音、模型──都只能對歷史事件做出簡單的素描,用「掛一漏萬」來形容也絕不為過。

凡是瞭解歷史的人都知道,「還原歷史真相」只是一種理想,實際上不可能做到。因此就正確性而言,歷史論述的優劣都是相對的,正所謂「只有更好,沒有最好」。

打個比方,我們絕不能認為「胡克版」是最正確的歷史,正如同不能認為「登上金氏世界紀錄的蘋果」就是古往今來最大的蘋果。

有趣的是,就這個角度而言,歷史學和自然科學有著驚人的相似性。不過這麼說恐怕太過抽象,乾脆用現成的例子來做個說明。

關於牛頓發現萬有引力的事蹟,我們已經知道至少有三個版本:「蘋果版」、「哈雷版」和「胡克版」,這三個版本一個比一個更貼近史實。

關於重力的科學理論也至少有三個版本:「克卜勒版」、「牛頓版」和「愛因斯坦版」。

第一個版本是克卜勒在十七世紀初提出的,認為星體間存在著類似磁力的吸引力,後來它被「牛頓版」取而代之,從此便乏人問津。可是牛頓的萬有引力定律也並非萬能,在一些特殊的天文現象中,「牛頓版」會變得荒腔走板,這時就必須請愛因斯坦出場救援。由此可知,這三個版本一個比一個更貼近真實。

「愛因斯坦版」的正式名稱是廣義相對論,然而,我們能否斷言它就是重力現象的終極理論呢?答案當然是否定的!

物理學家早就知道廣義相對論暗藏著瑕疵,總有一天會被更好的理論取代,只不過這個理論恐怕尚未誕生。有人認為可能是「弦論」,但抱持負面看法的物理學家不在少數,只是比較沉默罷了。

推而廣之,在自然科學中,「找到終極理論」只是一種理想,實際上不可能做到。因此自然科學理論的優劣同樣是相對的,正如任何定律都可能被推翻,而更一針見血的說法則是「自然科學中並沒有真理」。

 

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