十三.牛顿的幸运和悲哀

......牛顿是幸运的，正如牛顿自己所说的，牛顿是站在巨人的肩膀上的。牛顿总结归纳了前人发现的大量的科学素材后，发现了运动定律，即使牛顿不来做这项工作，迟早会有人来做的，让我们看看牛顿的前辈都发现了什么吧。

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公元前三世纪，古希腊阿基米德，实验发现斜面、杠杆、滑轮的规律以及浮力原理，奠定了静力学的基础。（当时已经有了力的定义，只是力的计量单位不是“牛顿”）

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1543年哥白尼的《天体运行论》一书出版。（归纳家尚未发现地球上的运动规律，地球人仍然沉睡在亚里士多德的错误思想中，而地球之外整个太阳系的运动参数就已经堆积在归纳家面前了！）

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1590年，意大利伽利略做自由落体的科学实验，发现落体加速度与重量无关，否定了亚里土多德关于降落加速度决定于重量的臆断，引起了一些人的强烈反对。同年，认识到物体自由降落所达到的速度能够使它回到原高度。（在牛顿之前就已经有了速度、加速度、重量等概念，时间、长度等定义已成为必不可少的公理。）

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终于，物理学经过伽利略、开普勒的初创和惠更斯的进一步发展，最后由牛顿集大成。明确指出了，物体运动的加速度正比与其受到的合外力，这是个了不起的发现。但马上有个重大问题就摆在了他面前，即他所研究的运动是相对什么参照物的？

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这个问题是牛顿以前的归纳家们根本就不必考虑的问题，不论是亚里士多德、阿基米德还是和哥白尼同时代的伽利略。在亚里士多德、阿基米德看来，地球是绝对静止的，讨论运动的参照物是毫无必要的。即使是伽利略，他所描述的运动都是明确的物体之间的相对运动，如人和船之间，船和水之间等。

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而历史留下的科学素材明确告诉牛顿，地球是运动的！而且这些素材都在迫不及待地等着牛顿来解释地球之外整个太阳系的运动规律。然而让人烦恼的是，这些素材对牛顿发现加速度正比于合外力的运动定律是毫无帮助的！（即使牛顿不知道地球在运动，牛顿照样可以发现相同的运动定律！）这些天上掉下来的素材给牛顿造成了两大困难。

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首先，以地球为参照物来研究太阳系的运动几乎是不可能的。其次，如何给他自己所研究的运动找到个静止的参照物。为了使自己所研究的物体运动具有真实意义，迫于无奈，牛顿不得不假设存在一个“绝对静止的空间”，然而牛顿清楚地认识道，在他所归纳出来的理论中，不得不依赖自己创造出来的一个“全新的假设”。这是一个连牛顿自己都无法容忍的事情！尽管牛顿一再声明"我不做假设"，但就连牛顿本人也意识到了，与时间、长度定义不同，“绝对静止空间”的确是牛顿亲自创造出来的一个假设。

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要想证明该假设不是假设，就必须证明“绝对静止空间”的存在，牛顿本人甚至比其后代们更加认识到了该问题的严重性！因此牛顿在其《原理》中提供了“牛顿水桶”实验和“双小球”实验两个证据（这在牛顿《原理》中是绝无仅有的事情，牛顿在《原理》的开始部分罗列了质量、时间、长度、绝对空间等最基本的定义，但其他定义都牛顿的前辈规定的，牛顿不必为它寻找证据）。牛顿企图证明“绝对静止空间”不是假设！但这两个证据并不能证明绝对空间的存在，水桶中的水相对地球静止时，水面恰恰就是水平面，难道地球就是绝对静止空间！？在宇宙不同引力场处做自由落体运动的双小球之间绳子的张力都是零，难道它们相对绝对空间的加速度都是零吗？！