万有引力发现的居先权之争
1.争论的开始
1693年，英国皇家学会的百余名会员云集伦敦，举行一年一度的年会。这是皇家学会创立以来的第31届年会。同以往的年会一样，会员们各自报告了一年来在科学研究中所取得的新成果。
在本届年会即将结束时，皇家学会总干事、年近六十的老会员胡克发表了一项重要声明。胡克在这项声明中说，引力的平方反比定律是他首先发现的，而牛顿剽窃了他的成果。声明指出，牛顿在《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》）一书中，把引力的平方反比定律的发现完全归功于自己，这是不公正的。胡克的声明引起了与会者的思想混乱。
本来，根据皇家学会的要求，牛顿早在1684年11月至12月间即开始写作《自然哲学的数学原理》，并在1685年夏完成了第一卷，1686年，牛顿又完成了第二卷，并开始写作第三卷。1686年春，当牛顿向皇家学会提交第一卷后，却未能在当年出版，其原因，一是皇家学会凑不出足够的出版经费；二是皇家学会总干事胡克对书中的引力的平方反比定律发现的居先权提出了异议，胡克认为，引力的平方反比定律是他首先发现的，正是他的发现引导牛顿发现了万有引力定律。但是牛顿在书稿中却对胡克的发现只字不提，因此，胡克不同意此书的出版。
《原理》在当年未能出版的后一个原因的内幕，牛顿开始并不知道。过了一段时间之后，哈雷才向牛顿透露了这一内幕。1686年5月22日，哈雷在给牛顿的信中说："我应当告诉你一件事，就是胡克先生对于你的重力减小到中心的距离的平方成反比这个法则的发明还有一些要求。他说你是从他那里得到这个概念的。……胡克先生希望你在序言中稍微提到他一下。"这样，胡克就通过哈雷，向牛顿提出了万有引力发现的居先权之争。
对于胡克的提议，牛顿起初表现得比较克制，因为他对这位年长的科学家还是尊重的，牛顿在同年5月27日给哈雷回信时说："感谢你写信给我，告诉关于胡克先生的一切。"又说，希望能与胡克之间"保持良好的了解。"由此看来，牛顿起初对胡克的提议并不在意。
但此后不久，当牛顿听说胡克在一次会议上说牛顿的引力平方反比定律是剽窃他的成果时，牛顿表示了愤慨，同年6月20日，牛顿在给哈雷的信中，驳斥了胡克对于万有引力发现居先权的要求。牛顿说，他再也不能宽恕这个粗鄙无能的胡克了，并指责胡克是想"要拿走步其后尘的以及走在他前面的人的所有发明。"由于愤慨，牛顿不想发表他的《原理》第三卷了。
哈雷接到信后，立刻回信牛顿，对牛顿进行了宽慰和劝导。哈雷说："我衷心地感到歉疚。"又说："在这全人类都应该向你表示感激的事件上，你竟碰到了使你不安的事情。……现在我必须再次恳求你，不要让你的怒火冲天，以致使我们失去你的第三卷。"哈雷的宽慰和劝导使牛顿逐渐恢复了平静。牛顿在回信中表示了愿意和解的态度，并答应了哈雷的要求，加紧了《原理》第三卷的写作和修改。1687年4月6日，牛顿把《原理》的第三卷也提交给了皇家学会。
牛顿从1684年11月至12月间开始写作《自然哲学的数学原理》的第一卷，到1687年4月提交《原理》的第三卷，经过两年多的紧张工作，这部用拉丁文写作的三卷本科学巨著，终于全部脱稿了。
《原理》的三卷手稿全部提交给皇家学会之后，由于皇家学会一时凑不出足够的出版经费，同时由于胡克提出的万有引力发现居先权的争议，皇家学会无法出版。最后，哈雷慷慨解囊，于1687年5月资助出版了牛顿的这一著作。
可是，事过6年之后，胡克又提出了万有引力发现的居先权问题，这不能不使与会会员大为惊异，同时也使牛顿本人深感震惊
2.争论的原因
胡克是17世纪中期的以天文学、力学、光学、生物学和化学等方面的成就著称的科学家。
胡克在力学中的建树，表现在他的力学实验中，胡克在1659年对格里凯抽气机进行了改革，并用这种抽气机协助化学家波义耳进行大气压力实验，使波义耳发现了大气的体积与压力成反比的定律，即著名的波义耳——马略特定律。此外，胡克还进行过弹性力学的实验研究。他在弹簧的应力实验基础上，发现弹性物体的应变与应力成正比的定律，即著名的胡克定律。这一定律虽然直到1676年才以字谜的形式陈述出来，并迟到1678年才以定律的形式发表出来，但胡克本人早在1660年发现了这一定律。
那么胡克对万有引力发现的居先权是否真实？这要从引力理论发展的历史源流来说。
17世纪初，吉尔伯特发表《磁石论》，天体和地面物体运行的力学规律即已受到天文学家和物理学家的重视。吉尔伯特已试图运用磁力理论对天体运行的力学规律进行探讨。而伽利略的落体定律及其朦胧的引力观念、开普勒的行星运动的三定律及其最初的天体引力思想，事实上已分别在力学和天文学的领域内播下了万有引力定律的理论种子。
但是，在开普勒发现行星运动的第三规律和提出最初的天体力学理论后，他的理论思想在半个世纪之内未引起人们的充分重视。只是到了六十年代中期，人们才重新关注这一问题。在意大利、荷兰、英国、相继出现了一些引力问题的研究者。
1666年，意大利物理学家博雷利(1608-1678年）重新提出了开普勒的引力理论，博雷利是比萨大学的数学教授、佛罗伦萨实验学院的院士。他继承了伽利略的力学传统，同时吸取了开普勒的引力思想。博雷利在研究行星的运行轨道时认为，行星轨道之所以是椭圆轨道，是由两种相反的力合成的效果。其一是把行星吸向太阳的引力，其二是使行星离开太阳的离心力。这两种力合成之后，其运动就像用绳索系住石头后让它旋转一样。博雷利提出这一假设之后，未能对这一假说进行数学论证。但博雷利重新提出行星轨道的力学问题，说明研究引力理论的条件已经成熟了。
荷兰著名物理学家惠更斯在研究动力学的过程中，也研究了引力问题。1673年，惠更斯发表了他的动力学著作《摆钟论》。在这一著作中，惠更斯论述了他所发现的向心力定律：即当一定量为m的物体以速度V在半径为r的圆上运动时，其向心力所产生的加速度a为V2／r。向心力定律的发现传到英国后，直接推动了牛顿对万有引力定律的研究。
在英国，则出现了更多的热心的引力理论研究者，因为此时行星运动的引力问题已成为英国最吸引人的前沿科学问题。由于开普勒定律的影响，不少科学家都发现了太阳对于行星的引力，并且推测到这种引力随行星到太阳的距离的平分成反比的变化。后来，由于惠更斯发现的向心力定律的影响，天文学家和物理学家进一步被吸引到引力问题的研究中，其中，牛顿、胡克、哈雷和雷恩便是试图攻下引力问题这一科学难关的最热心的代表人物。
胡克的引力问题研究是以伽利略的运动力学为基础的，胡克在研究中发现，如果用伽利略的惯性原理解释行星运动规律，必然要从力学理论上引出这样两个问题：其一，使行星轨道弯曲成圆或椭圆所需要的向心力；其二，证明太阳的引力提供了行星运动所需要的向心力。这两个问题都需要研究向心力或引力随两物间距离的变化而变化的规律。胡克正是从这一问题走向引力定律研究的。
1662年至1666年间，胡克根据他的上述推想，进行了一项试图探索引力随距离变化的引力实验，他在深井和高山上量得同一物体的重量，试图通过同一重物在与地心处于不同距离时的重量差，来求得引力随两物体之间的距离的变化规律。但实验没有成功，因为山的高度与地球的半径相比是微不足道的。
1664年，当雷恩在与胡克的一次聚会中商讨慧星的轨道问题时，胡克根据他当时对引力问题的研究，指出当慧星靠近太阳时，其轨道是弯曲的。而慧星轨道弯曲的原因，正是来自太阳的引力。
惠更斯在1673年发现向心力定律之后，为引力定律研究提供了新的理论借鉴。因为运用这一定律，即可以从开普勒的行星运动的第三定律直接推导出引力的平方反比定律。虽然惠更斯本人可以做到这一点，但他却未从理论上做出这一推导。
惠更斯的向心力传到英国之后，立即引起了牛顿、胡克、雷恩、哈雷等人的重视。1674年，胡克提出了关于引力的三条假设。第一，一切天体都有倾向自身中心的吸引力，这种力又作用于其他天体。因此，不仅太阳和月亮对地球的形状和运动发生影响，而且地球对太阳、月亮同样有影响，其他行星对地球的运动也都有影响，从而指出了引力作用的普遍性。第二，作直线运动的任何天体，在没有受到其他作用力使其偏斜之前，继续保持直线运动不变；受到其他力的作用时，它的直线轨道就会倾斜，沿椭圆、正圆轨道或某种复杂的曲线运动。这就找出了吸引力同天体运行轨道的联系。第三，物体离吸引中心越近，所受到的吸引力越大，具体数量关系尚待实验中解决。我们一旦知道了这个数量关系，就可以很容易地解决了天体运行的定律了。
1680年初，他又明确地提出引力同距离平方成反比的思想。所以英国科学史专家贝尔纳认为，万有引力的基本概念是属于胡克的，但他缺乏牛顿那样的数学才能，所以没能明确地提出万有引力的公式。
在相继发现引力的平方反比定律之后，由于种种原因，胡克未能对引力的问题进行更深入的研究。只有牛顿以引力的平方反比定律的发现作为他研究万有引力定律的新的起点，向着万有引力定律的目标继续前进，并最终发现了万有引力定律。
发现引力的平方反比定律并不等于发现万有引力定律，这一点，胡克本人也是清楚的。在牛顿尚未发现万有引力定律之前，胡克曾在1679年写信给牛顿，问他能否根据向心力定律和引力的平方反比定律，证明行星运动是椭圆轨道运动。胡克不仅在这一信中提出了这个问题，而且指出了解决这一问题所在。胡克认为，证明中的最大困难，是如何把太阳和行星这样庞大的天体质量，都看作好像是集中在它们各自的中心点来处理。显然，胡克的这一力学思想与力学方法，与牛顿后来在1683年所采用的把两天体同时作为两个质点来处理的方法是一致的。在这一力学思想和力学方法上，也许牛顿确实曾受到过启迪，因为胡克的这一思想和方法的提出，要比牛顿实际运用质点力学的处理方法早4年。而牛顿又是确实知道胡克提出的这种类似质点观念的思想和方法的。因此，就这段史实来看，胡克向牛顿提出万有引力发现居先权之争，确实也事出有因，有理可据，因为牛顿确实有可能从胡克的信中受到理论和方法上的启示。
1679年，牛顿没有能够回答胡克的来信中提出的问题，因为牛顿本人在万有引力定律上尚处于踌躇不前的状态。
1684年，哈雷在研究开普勒的行星运动的第三定律时，认为向心力也是与距离的平方成反比的，但哈雷自己当时尚无力从数学和力学上证明这一点。因此，哈雷与雷恩和胡克的一次聚会中，把他的发现作为一个问题提了出来。胡克当即声称，他可以证明出来。可是，他并未真正拿出这一问题的证明来。据说他当时曾声称，他要等到别人试作的证明都失败以后，他才把自己的证明拿出来，这样人们才会真正赏识他的功劳。由于胡克素有吝啬和爱讥嘲的名声，因此雷恩和哈雷均对胡克采取不信任的态度，同时由于哈雷对胡克的证明不满意，所以1684年8月，哈雷带着万有引力定律的证明问题，专程前往剑桥大学三一学院向牛顿请教，牛顿说这个问题他已经证明出来了。
这样，当牛顿于1684-1685年在剑桥作了题为《论天体运动》的讲演之后，特别是牛顿在1886年春天向皇家学会提交《自然哲学的数学原理》的第一卷之后，一场万有引力定律发现的居先权之争也就随之爆发了。
胡克提出的居先权之争并非毫无理由，他与牛顿大体同时发现了万有引力，但他们在这一发现上所取得的成就不是等同的。这种差异集中表现在：牛顿不仅发现了万有引力，而且最终论证了万有引力定律；胡克在引力问题的研究上虽然比雷恩和哈雷更深入一步，发现了万有引力，但并未能像牛顿那样证明万有引力定律。他们在万有引力问题的研究中所以表现出明显的差异，是由于他们两人在科学思想、科学方法和数学基础方面的差异造成的。
热门跟贴