武际可:力学家之间的首创权之争

——力学史杂谈 (八)
选择字号:   本文共阅读 3372 次 更新时间:2008-07-22 11:14

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摘要:介绍一些著名力学家之间关于首创权的争议.

关键词:万有引力,胡克定律,卡门涡街.

人类愈是文明、进步,人们给予历史上的大科学家、大文化名人的尊敬愈多些.这是因为这些人在生前不像大政治家、大财阀那样有权有势、炙手可热,相反却大多穷极潦倒,而且他们的贡献能够使全人类世代享用.像牛顿、爱因斯坦这样的大科学家、大力学家,全世界只要是受过中等教育的人,无人不知.他们受尊敬的程度,是任何一代皇帝、政治家、财阀等所无法比的.

然而也正是科学文化成果与名人得到的殊荣愈来愈多的时候,在一些科学家中却滋生了一种虚荣心,于是争夺成果的首创权的事情历史上屡见不鲜.在力学的发展史上瞩目的是关于万有引力定律牛顿同胡克的争议.

几百年来,各种书籍与教科书上都介绍说牛顿是1664年-1665年在乡下躲鼠疫时,躺在苹果树下,看到苹果掉下来,受到启发而悟出万有引力的.然而事实的经过却要复杂得多.

开普勒的行星运动的三定律公布后(第一、二定律1609年、第三定律1619年发表),天文界与力学界都在为探索天体运动的规律.在牛顿进入引力问题研究之前,已经有了一系列的工作.如:1638年伽利略发表了《关于两门新科学》,其中总结了惯性定律,即后来称为牛顿第一定律.他通过对落体的研究确定落体加速度与重力成正比.这便是后来称为牛顿第二定律的落体表述形式.

1659年荷兰人惠更斯通过匀速圆运动给出了物体向心加速度与速度关系的公式.他与同时代不少人研究了碰撞问题,得到了动量与能量守恒的早期表述.实际上动量守恒包含了后来称为牛顿第三定律(即作用力与反作用力大小相等方向相反的定律)的早期萌芽形式.

1661年伦敦组织了一个研究重力特性的小组,参加者有波意尔、胡克等人.经过若干年后,1674年胡克发表论文,正式提出:太阳行星相互吸引、若无中心吸引天体将沿直线运动,物体距中心愈近,引力就愈大.

1673年惠更斯根据开普勒第三定律推出,如果行星运动轨迹是圆,则引力与距离平方呈反比的结论.到1864年,在哈雷、雷恩、胡克讨论问题时,哈雷也宣布他可以证明惠更斯的上述结论.

至1684年,牛顿主要精力还不在引力问题上,而且从与他人的交流中看出,他对这个问题的了解还不得要领.例如,1679年他在给胡克的信中还说落体被地球吸引走的轨迹是逐渐趋于地心的螺线.而胡克回信纠正牛顿说,这条曲线应当是椭圆.而且直到1680年-1684年间牛顿与与胡克进一步交流后,才熟练地掌握了动力学的一些基本原理.

于是在牛顿着手这个问题之前,整个问题只剩下:如果行星在太阳引力下运动,并且设引力与距离平方成反比,运动曲线是什么?这样一个问题还没有解决.恰好正在这时,哈雷带着这个问题去求教于牛顿.也只有在此之后牛顿才全力投入这一问题的研究,并吸收了前述研究成果.

牛顿在数学上比他的前人胡克等略高一筹,由于他运用了微积分这一工具,他得以证明在与距离平方成反比的引力作用下,行星运动确是椭圆.这就使得开普勒定律与万有引力得到了谐调.在牛顿加紧工作,并在哈雷支持下,牛顿的《原理》一书便在1687年出版了.在《原理》中,牛顿对全部力学定律与万有引力定律的叙述中较少提到前人的成果.胡克曾致信牛顿希望在他的《原理》的序言中,对他的劳动成果稍微提一下,却受到牛顿的断然拒绝,并写信给监督出版的哈雷说,他不想给胡克任何名誉.牛顿还宣布:“关于重力按平方衰减的规律,他20年前就清楚了.”指的就是鼠疫期间的“苹果树下的思索”.而后人也恰好按照牛顿的这种说法在传播.

1955年,一位美国记者柯亨同爱因斯坦的谈话中,向爱因斯坦提及牛顿的这件事,爱因斯坦回答说:“唉,那是虚荣”.(见爱因斯坦文集第一卷,第620页,许良英等编,商务印书馆1976年)其实,牛顿的“虚荣”还表现在他为了独占微积分的首创权,默认莱布尼兹是剽窃他的成果的看法.并且暗中操纵调查委员会,甚至自己写匿名评议信评论以传播这种看法.(见《牛顿传》(美)科恩著,葛显良译,科学出版社, 1989年)牛顿后来总结他的一生道路时,曾说过:“如果我比别人看得更远些,那是因为我站在巨人的肩上.”牛顿参予的这两桩公案为这些美好的自谦之词大大打上了折扣.

顺便,我们还要提到这桩公案的另一方胡克本人,他也曾经和另外的人有首创权的争议.例如,1674年,荷兰人惠更斯发明了一只用弹性发条与摆轮为原理的表.胡克则指控惠更斯窃取了他的发明并于次年制造了一只表呈上英王,表上刻着1658年就有此项重要发明.胡克有时还为了此类发明首创权,将自己的发明日子提前,例如,他是1676年发表他的著名的弹性元件的胡克定律,后来却说他1660年就已经得到了这一发现.一般书上也是按照他的说法在介绍.所以我们今天学习科学史的人,很难弄清事实的真相.究竟哪些是事实,哪些是科学家的“虚荣”所加上的.

在近代也还会有各式各样的类似公案.冯·卡门(von Karman)一次提到关于卡门涡街的争议(见《空气动力学发展》,江可宗译,科学技术出版社, 1958年,第55页),卡门是这样说的:“我并不宣称这些涡旋是我发现的.早在我生下来以前,大家已知道有这样的涡旋,我最早看到的是意大利Bologna教堂中的一张图画.图上画着St.Christopher抱着幼年的耶稣涉水过河.画家在Christopher的赤脚后面画上了交错的涡旋.有一个英国科学家Henry Reginald Arnulpt Mallock (1851年-1933年)也已观察到障碍物后面交错的涡旋并且摄有照片.之后,还有一个法国教授Henry Benard (1874年-1939年)在我之前作过关于这一个问题的大量研究.不过,他主要考察了各种富有粘性液体和胶悬溶液中的涡旋,并且他观察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点.虽然如此,他对这个涡系冠上了我的姓氏是有些嫉妒的.好几次,譬如1926年,在Zurich和1930年在Stockholm召开的应用力学国际会议上,他一再申称他观察到这一个现象的事实.有一次我就答复他说,我同意在Berlin和London叫Karman街,而在Paris则应叫Benard路.”这段话告诉我们,在冯·卡门之前,已有不少人注意和研究涡街问题了.至于为什么叫卡门涡街,卡门说是他最早给出了涡的交错排列是稳定的证明.而且卡门的表述中也看出他比较豁达,既肯定了前人的工作,又提到他的独特贡献.较少由于“虚荣”而引起的那种小气心理.

在整个力学史上,这种事例还可以举很多,但是众多的事例说明以下几点:

第一,大凡历史上的一些重要发现,同时研究发现的,一般来说不止一个人.不同人有不同角度的贡献.以万有引力的发现为例,他是集中了一代科学家的成果.所以美国物理学家维斯特法尔说:“有时很象是:胡克的活跃思想的出现正是为了激发牛顿的冷漠天才的火花.”其实何止胡克呢?伽利略、开普勒、惠更斯、哈雷,不都是有着不可泯灭的功劳吗?

第二,科学史上天才和杰出科学家都有着比别人技高一筹的贡献.前文说,由于牛顿的数学比胡克好,最后较难的一步由他给解决了.所以在众多的科学家中牛顿享受更多的荣誉也是无可厚非的.

第三,对于现代人,从科学史中,我们一方面要学习前人在解决复杂问题时冷静分析,勇于创新的精神,同时应当克服与防止对待科学创新的“虚荣”心.应当充分肯定前人的成果,同时力图排除由于追求“虚荣”造成的假象.

刊登于《力学与实践》 1997年 4期 74-76

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