胡克 VS 牛顿：科学之争？意气之争？

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胡克 VS 牛顿：科学之争？意气之争？

原创 关注全球科研的 科学方程式 2024 年 09 月 27 日 18:58 北京


“牛顿剽窃了我的思想。”

1686 年初，在英国皇家学会的会议上，当著名的天文学家埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）介绍艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的《自然哲学的数学原理》第一卷时，皇家协会秘书、科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）当场指责，声称牛顿关于万有引力与距离平方成反比的概念源自他早先的研究，书中理应提及他的贡献。一石激起千层浪，当哈雷将胡克的指控转告牛顿时，已小有成就的牛顿勃然大怒，并立刻展开反击。事实上，这只是牛顿与胡克之间纷纷扰扰争端的缩影。在 20 多年的时间里，从牛顿步入科学殿堂直至胡克去世，这两位科学家从光的原理“厮杀”到万有引力，也让这场混杂着科学、意气和发明权的争论成为科学史上最著名的公案之一。

01  天定冤家：波动说与微粒说的交锋

无处不在的光，究竟是粒子还是波？这一迷人又耀眼的现象直到物理学发展到 17 世纪时，才逐渐拨开迷雾。

1663 年，英国科学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle）发现物体的颜色并非其本身的性质，而是光照射后产生的效果。他首次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。

时任英国皇家学会实验室主任的罗伯特·胡克，在得知波义耳老师的发现后，展开了大量研究。他通过观察肥皂泡膜的颜色，提出光是“以太”中的纵向波，并认为光的颜色由波的频率决定。

1665 年，胡克出版了划时代的著作《显微图谱》（Micrographia），并通过绘图和详细的文字描述，展示了显微镜下观察到的化石、跳蚤、真菌等微观世界。胡克在书中提出了“光的波动学说”，这也让他赢得了国际学术声誉。


英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635 年 - 1703 年），他提出的胡克定律对于机械钟表的精确度和推动钟表制造技术的发展起到了关键作用。

然而，命运的齿轮悄然转动，胡克学术生涯中天定的“克星”，一个划破天际的名字开始登上科学的历史舞台，他就是伊萨克·牛顿。那年，牛顿还是剑桥大学的学生，而此时的胡克已活跃在英国高端的学术交流圈中。

1672 年，牛顿凭借自己发明的反射式望远镜成为英国皇家学会会员。作为见面礼，29 岁的牛顿向学会献上一篇论文，提出白光是不同颜色光混合的理论。这是牛顿基于法国数学家皮埃尔·伽森荻提出的物体是由大量坚硬粒子组成的基础上，根据光的直线传播规律、光的偏振现象，提出了光由粒子组成，在均匀媒质中以一定的速度传播。

这篇论文与胡克的波动学说形成了直接冲突。胡克对此进行了猛烈批评，认为他是在自己的领域挑衅。

1675 年，牛顿发表了另一篇光学论文，进一步深化其理论，再次招来胡克更激烈的抨击。胡克指责牛顿的理论大部分摘取自《显微图谱》，尽管有所扩展，但缺乏原创性。


科学巨人艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643 年 - 1727 年）。

面对这样的指控，牛顿怒不可遏，花了四个月时间写了一篇充满尖刻言辞的反驳文章，逐点驳斥胡克的批评。就这样，一个大言不惭在前，另一个恶语相向在后，这场关于光的波粒之争，使两位科学家成为毕生死敌，并拉开了长达三百年的波粒之争的序幕。

有趣的是，在牛顿与胡克的恩怨进入白热化阶段前，另一位重量级人物也来掺合了。1678 年，法国科学院的掌门人克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）公开反对牛顿的微粒说，他说牛顿没有遵守机械哲学的基本原则，就是牛顿应该提出一个物理假设，来解释光通过棱镜后何以会展示出不同的颜色。

惠更斯在胡克的波动说基础上提出了自己的光波理论。通过精密的数学推导，惠更斯得出光的折射和反射定律，并在 1690 年出版《光论》，系统阐述光的波动学说，使波动理论一时占据了上风。

02  史诗对决：万有引力的发现权之争

当胡克和惠更斯共同反对牛顿的微粒说时，年轻的牛顿选择避开这些权威科学家，专注于撰写《自然哲学的数学原理》初稿。然而，胡克后来指责牛顿在《原理》第一卷中剽窃了他的万有引力概念。这一指控源于 1679 年至 1680 年间两人的书信交流。

早在 1677 年，胡克在皇家学会的实验室中进行了引力实验，并发现了“如果行星轨道是圆形，太阳对行星的引力大小与距离的平方成反比”。胡克认为这一发现为理解行星运动提供了关键线索。

两年后，升任皇家学会秘书的胡克试图弥合分歧主动给牛顿写信，讨论他在《证明地球运动的尝试》论文中提出的行星运动受太阳吸引力影响的理论。牛顿在回信中画了一个假设：如果地球不存在，物体穿过地面继续下落，其轨迹沿着一个螺旋线直到地球中心（图 a）。这个假设严重错误，立刻被胡克抓住。

胡克回信指出，物体的轨迹类似于行星运动，应该是一个椭圆（图 b），这显示出他对行星运动的理解相当深刻。牛顿在第二封回信中承认轨迹不应是螺旋，但指出如果力保持不变，形成的轨迹将是一条不断旋转的多瓣曲线（图 c）。


(a) 牛顿信中给出的螺旋线，(b) 胡克提出的椭圆线，(c) 牛顿讨论的常力作用下的运动轨迹；图片来源于胡克与牛顿往来信件。

随后，胡克再次给牛顿写信，表示引力应该与到中心的距离平方成反比。这次牛顿没有再回复胡克。因此，当胡克看到牛顿发表的《原理》第一卷时，便指责牛顿剽窃了他的想法，声称引力的平方反比关系来自于他自己，其依据就是俩人之间多次通信。

此后，双方又发表了几篇论文进行了论战，并时常相互讥讽，但总体上胡克对牛顿的指责并没有得到外界的公认。由此，胡克心中不满与日俱增，逐渐在公开场合表现出对牛顿的不屑与敌意。

时间来到 1683 年，胡克与哈雷、雷恩等人在伦敦聚会时讨论到开普勒第三定律。胡克声称自己能证明行星受到的太阳引力作用下的轨迹是椭圆，但拒绝提供证明过程。由于胡克数学能力有限，无法写出定量表述和严密的论证。

1684 年 8 月，哈雷拜访了牛顿，并问道：“如果行星受到太阳的吸引且引力与距离平方成反比，行星的轨迹是什么？”牛顿说是椭圆，并称自己做过计算，哈雷大为惊喜并请牛顿提供论证，虽然牛顿未能找到计算的原文，但同意重新计算。

与哈雷的交流激发了牛顿的灵感和数学天赋，他潜心思考并扩大了对天体学的研究，三个月后，牛顿《论在轨道上的物体的运动》手稿信函从剑桥翩然而至哈雷家中，这部手稿后来成为科学巨著《自然哲学的数学原理》的重要组成部分。



在《原理》中，最辉煌的成就莫过于万有引力定律——经过严密的数学论证牛顿得出结论：万物彼此相互吸引，这一引力与物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比，这就是著名的“万有引力定律”。

03  角色转换：争论至死不休

《原理》的出版为牛顿带来了极高的威望，使他成为了英国的国宝。然而，胡克却因此倍感失落，认为自己的贡献未得到应有的承认。1690 年 2 月，胡克在皇家学会的一次演讲中讽刺道：“牛顿帮了我大忙，我多年前首先发现并向学会展示的引力性质，如今竟被他当作自己的发明发表。”他还写下了一篇未公开的备忘录，详述他与牛顿的争执，试图记录真相，但无人理会他的抱怨。

这场争论给胡克的余生蒙上了阴影，使他愈发抑郁与嫉妒。1703 年，胡克在落寞中走完了他 68 年的人生旅途。同年，牛顿当选为英国皇家学会会长，立即将皇家学会迁至新址。

牛顿上任会长后开始以牙还牙。据俄勒冈州立大学教授艾伦·唐·德雷克（Ellen Tan Drake）研究，牛顿解散了胡克的实验室和图书馆，并销毁了胡克的上千项研究成果，胡克的画像也被付之一炬，以至于现在都没人知道胡克究竟长什么样。

1704 年，牛顿出版了另一本巨著《光学》。他从胡克的波动说中汲取灵感，将波动理论中的震动、周期等概念引入他的粒子论，全面完善了他的粒子学说。此时，甚至惠更斯也已经去世，无人再对牛顿的观点提出质疑。在此后的一个多世纪，微粒说一直牢牢占据着光学研究的主流，直至爱因斯坦的出现。

结语：科学进步，与思想竞争和制度创新同在

应该说，在与胡克的交锋中，牛顿不断完善自己的理论体系，最终于 1687 年完成了《自然哲学的数学原理》。这本巨著不仅为物理学和天文学提供了精密的数学工具，还彻底改变了科学研究的方式，使科学探索进入一个全新的时代。他的理论成为工业革命的基石，直接推动了蒸汽机、铁路等技术的创新，极大加速了人类社会现代化的进程。

同时，胡克的贡献也不容忽视。他不仅提出了著名的胡克定律，还在显微镜领域取得了开创性成就，首次提出了细胞（Cell）这一术语沿用至今，并通过对植物细胞壁的观察奠定了微生物学与病理学的基础。胡克的研究凸显了观察与实验在科学探索中的重要性，推动了科学启蒙的进程。他的诸多发明使得实验科学成为现代科学不可或缺的支柱。在 300 多年后的今天，回溯牛顿与胡克的争端，宛如在跨越时空见证当初的科学发展。两位学者之间的对立不仅是思想碰撞，也不只是意气之争，更是科学方法与知识产权制度演变过程中的复杂博弈。从更广泛的视角来看，这场300多年前的争端揭示了科学进步的复杂本质：伟大发现往往伴随着思想竞争与制度创新，科学不仅是发现真理的工具，更是塑造文明的力量。



参考资料：

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S031508602200009X

https://newton.edwardworthlibrar ... n/newton-and-hooke/

https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-0346-0037-8_10

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