7 牛顿其人
牛顿从开普勒第二定律(等面积定律)推断出,行星受到的力指向太阳。又从开普勒第三定律推断出,太阳对行星的引力大小与行星距离的平方成反比。
介绍完牛顿的这两个分析后,费曼评论道:牛顿,作为一个对事物普遍性具有非凡感受力的人,当然要假定,这个关系适用于更广泛的情况,而不仅限于太阳对行星的拉力。(Being a man of considerable feeling for generalities, Newton supposed, ofcourse, that this relationship applied more generally than just to the sun holdingthe planets. )
一般的课本会怎样写呢?它们会冷漠而客观地写道:牛顿进一步假定…
8 月亮的掉落
为了研究地球把人向下拉的力(人的重力)与地球对月球的拉力,是不是同一个(种)力,费曼(他在介绍牛顿的思路)提出下面的问题:
地面附近的物体,从静止释放后,会在第1秒内下落16英尺,月球在同样时间内下落的距离是多少呢?
有人会说:月球根本没有掉落。这是人们暗中以地球为基准。费曼指出,如果以月球的惯性运动为基准,月球确实一直在向地球掉落。(the moon falls in the sense that it falls away from the straight linethat it would pursue if there were no forces.)
9 什么样的理论才有用?
从开普勒第二和第三定律,“推断”出太阳对行星施加指向太阳的、大小与行星距离成反比的力,这个发现有价值吗?或者说,有用吗?
当然,用这种力可以解释开普勒第二和第三定律。一般人认为,理论只要能够对某种现象提供解释,就够了。
不过,科学理论的标准可不是这么低。在科学家看来,如果理论仅仅能够提供解释,这样的理论压根没用。
费曼这样评论:任何新定律的伟大发现,只有当我们能取出来的东西比放进去的多时,才是有用的。(Any great discovery of a new law is useful only if we can take more out than we put in.)
认为太阳对行星施加指向太阳的、大小与行星距离成反比的力,这是“有用”的发现。因为从这个力可以推导出(注意,这时的推导就相当于预测),行星围绕太阳运行的轨道是椭圆(以及太阳位于椭圆的其中一个焦点上)。
也就是,在不知道开普勒第一定律的情况下,只根据开普勒第二和第三定律,“推断”出(或者假设)太阳对行星施加指向自己、大小与行星距离的平分成反比的力以后,我们竟然可以预测出开普勒第一定律!
——而不需要用到额外的事实(no extra fact is needed to explain Kepler’s first law. )
所以,引力的发现是“有用”的发现。
费曼在这里表达的观点可以总结成:不能进行预测的解释,是没用的。这个观点特别值得我们重视。
一座房子着了火,或者一个城市发生了大瘟疫。古代人怎么解释这种事?在信仰基督教的地方,宗教权威会解释说:这是上帝让它这样。
纯朴的人们很容易就接受了这样的解释。可是,这种解释实际上压根没用。因为无论发生什么事情,都可以说是上帝的旨意。所以这种解释有什么用呢?
为了看出这种解释的虚假,只要问权威们:那根据你们对上帝的了解,下次瘟疫会发生在哪里?他们根本无法回答。不过他们早已变得很奸滑,他们会说:上帝的心思,凡人无法掌握。
这一类的解释,在古代很盛行,在今天也还没有绝迹。假如今天下雨了,人们说雨是龙王下的。这样的解释,就足以让我们的老祖宗满足。
科学当然不这样。科学不但要解释下雨,而且要对下雨进行预测。它从不回避这个艰难和有风险的问题,而是勇敢和执着地面对它。
10 地球为什么没有掉向月球?
除了预测行星的轨道,引力定律还解释(这里的解释实际上也是预测)了许多人们以前不理解的现象。(The law of gravitation explains many phenomena not previously understood.)比如那一直神秘的潮汐。
潮汐是由月球对地球以及海水的引力产生的。这里马上有一个问题:如果月球把整个地球拉向它,地球为什么没有向月球掉上去?
回答是:因为地球玩着与月球一样的把戏。它也在绕着一个点转圈,这个点在地球内部,但不是在地球中心。月球并非严格围绕地球转圈,而是,地球与月球一起围绕某个中心位置转圈(老贾补充:地球转小圈,月球转大圈),每一个都在向这个共同位置掉落。
(If the moon pulls the whole earth toward it, why doesn’t the earth fall right “up” to the moon? Because the earth does the same trick as the moon, it goes in a circle around a point which is inside the earth but not at its center. The moon does not just go around the earth, the earth and the moon both go around a central position, each falling toward this common position.)
请注意费曼使用的语言多么生动。他不是说,地球也和月球一样,在进行近似圆周运动(老贾注:这里的圆周运动不是指地球围绕太阳的公转,那是由太阳对地球的引力引起的。这里考虑的是地球和月亮组成的系统。),而是说,地球和月球都在玩把戏。
费曼使用这种说法,不是仅仅为了节目效果。因为,地球与月球的行为,确确实实与玩把戏很相像(在本质上)。
大家想一下:地球在把月球向自己拉,如果月球一开始是静止的,它到地球的距离势必会一直减小,直到它掉到(砸到)地球上。
月球怎样做,才能使它到地球的距离不发生减小呢?千万不要“一开始”静止,而要沿着另外的方向跑起来,只要跑得足够快,就不会掉落到地球上了!
这与杂技团玩的把戏,不是很相像吗?
所以,费曼的用词不仅有趣,而且很准确,传达出了神韵。
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