世界人物志——炼金巨人牛顿

“摘一颗苹果，从你家门前经过，送到你的手中帮你解渴”，额，没错，万有引力，这个物理界最经典的理论，家喻户晓，在经典力学上，他提出了动量和角动量守恒，光学上，他发明了反射望远镜，利用三棱镜发散白光成光谱，数学上，大学的微积分折磨的你死去活来，天文学上，他的万有引力为日心说提供强力论证，爱物理，爱数学，爱炼金，爱吃素，没事儿跨界搞搞神学，玩玩股票，与布莱尼兹吵吵架，他就是科学界的泰斗——艾萨克·牛顿（1643年1月4日－1727年3月31日）。

现在，我将展示世界的构架——艾萨克·牛顿

一、模型王

1643年1月4日，魔羯座的小牛顿呱呱坠地，出生于老英格兰林肯郡伍尔索普村，此时距离李自成进北京还有一年的时间，小牛顿是早产儿，出生时候非常小，据坊间野史记载，牛顿妈妈说牛顿刚出生时候小的能放进马克杯里面，而小牛顿刚出生父亲已经没了，3岁时候，牛顿妈妈改嫁一个牧师，但小牛顿非常不喜欢继父，而对于妈妈改嫁这件事，小牛顿也非常充满敌意，据另一个野史记载，小牛顿甚至想给家点把火烧了。

1648年，牛顿开始上学，刚上学的牛顿并没有那种神童的感觉，他就学习中等，没事儿就研究机械，就喜欢看简单机械的书，并且自己动手做一些模型，其中做了个一个小风车的模型，上了我们的小学生语文课本《做风车的故事》。

做风车的故事

大概就说牛顿，通过观察磨坊，自己做了个风车的模型，那小孩就爱显摆两下，牛顿也不例外，拿学校展示了一把，大家纷纷夸赞，这时候一个钢筋同学站了出来，你做风车你能讲出来什么原理吗？一句话给小牛顿问懵了，这个同学又笑话牛顿，道理都讲不出来有什么用啊孩子？从此牛顿发奋图强。

故事就是这么个意思，我这么多年确实还记着这个图，不知道现在还有没有，小时候牛顿学习一般，但是搞机械手工研究这一块相当牛之比，他不仅做磨坊模型，还做日晷，木钟，小提灯乱七八糟的模型。家里都能开个展览了。

而此时的欧洲，科技点加的是突飞猛进，1543年尼古拉·哥白尼出版《天球运行论》，1610年伽利略用望远镜发现木星周围还有四颗小卫星，1609年到1618年，开普勒发现行星三大定律，可以说数理化三科，就差化学这一科还在停留在炼金，牛顿在这种环境下，用自己天赋，加上自己努力，确实成就了非常耀眼的光辉。

如果说我看得比别人更远些,那是因为我站在巨人的肩膀上——艾萨克·牛顿

二、炼金术大师

1654年，11岁的牛顿前往金格斯皇家中学读书，小学的牛顿成绩一般，但是中学开始发力，牛顿在中学是整个学校最优秀的学生，牛顿最大的爱好就是看书，不管在哪就是看书，并且还爱做做科学小实验，不仅如此，他寄宿在药剂师威廉·克拉克家中，这个克拉克被称为药剂师，其实也会点炼金术，家里还有小实验室，这对于牛顿来说影响非常大，他的严谨性，逻辑性，理论性得到非常好的训练，并且牛顿是一个非常喜欢实践的人，当时炼金术可是已经有蒸馏瓶，坩埚等等一些化学仪器了，可以说牛顿的科学成就不仅站是在巨人肩膀上，也是在炼金术的过程中发现各种科学理论。

炼金术从古埃及就有，到中世纪的欧洲那是已经广泛传播，炼金术就跟咱们古代炼丹差不多，并且咱们古代道士们最开始在化学这一块绝对领先全球，炼金术本意是将贱金属转变成黄金，而古代炼丹术就是长身不老，点石成金，炼金术后面发展多种不同研究，比如万能药，贤者之石，而炼丹术也一样炸裂，中国的炼丹术，影响了整个世界格局，因为火药就在这里被发现，但如果非要找出区别，西方确实有着更科学更精密的仪器。

在早年，牛顿的炼金术已经玩的很用心了，而且特别有瘾，一天不练金那浑身难受，他用瓦伦丁的《锑之凯旋车》记载的炼金方法，在他的炼丹炉子里成功得到一种晶体——星锑，其实就是金属锑啊，在那个时代，炼金术士都喜欢把自己炼出来的金属对应天上的行星，比如水银——水星，铜——金星，铁——火星，牛顿这个星锑也不例外，他取名为狮子座的轩辕十四，相当吊炸天的名字——轩辕十四星锑。

金属锑

而在学术上的成就，也非常耀眼：

1661年6月3日，18岁的牛顿从金格斯中学毕业，考上了剑桥大学三一学院，到了大学三年级，牛顿就拿到了卢卡斯数学教授席位。

1665年，牛顿发现广义二项式定理，根据这个定理，牛顿终于研究出折磨人类的方法——微积分。（布莱尼兹和牛顿，分别创立了微积分，这个争议很久了，主流就是认为他俩分别创立了不同的微积分。）

现代微积分（比最开始还要严谨）

1671年，他在皇家学会上展示了自己发明的反射式望远镜。反射望远镜光学性能的重要特点是没有色差。

牛顿式反射望远镜

1675年，著作《解释光属性的解说》，牛顿假定了以太的存在，认为粒子间力的传递是透过以太进行的。

1679年，牛顿研究出引力及其对行星轨道的作用。

1687年，著作《自然哲学的数学原理》，第一卷“论物体的运动”，表述了最经典的牛顿三定律；第二卷论述了阻力下物体的运动对比了不同物体在阻滞介质中的运动，得出阻力大小与物体速度的一次及二次方成正比的计算公式，还讨论了气体的弹性和可压缩性，以及声音在空气中的速度等问题；第三卷“论宇宙的系统”，根据前三卷的论证，导出万有引力定律，解释包括月球运动的偏差、海洋潮汐的大小变化、岁差的长短不一等。这本书式牛顿最重要的著作。

自然哲学的数学原理原书插图

1704年，牛顿著成《光学》，详述了光的粒子理论。在书中，牛顿设计了许多非常巧妙的实验来证实自己的理论，使得该书成为一部实验科学的优秀范本，对于整个近代科学体系的建立是至关重要的。

1707年，牛顿出版了代数基础《广义算术》。

英语课

看了牛顿这些成就，是不是感觉万有引力都不算啥？这还是人吗？外星人也不过如此吧？其中微积分完全影响了现代，航天要用，工程设计要用，动态经济要用，数学用，物理学也要用！

而牛顿的光学提出的一个粒子说，更是量子力学的导火索。

三、光的波粒二象性

如果说，有一个实验能让你怀疑这个世界真假性，你相信么？

17世纪，物理圈老炮对于光子的形态展开激烈争论，我就简单来说，感兴趣的，可以到处查找，这个理论挺出名，好比光子是英雄联盟里的杰斯，有两种形态，放大炮和拿锤子，但这两种形态取决于你按不按那个R。

荷兰物理学家惠更斯认为，光子是波，可以折射可以反射，波就跟水波类似，一圈圈的，光就跟那个水波一样一圈圈展开，遇见障碍物就反弹，如果是两束光交叉，就会产生干涉条纹，好比水波互相碰撞释放更多水波。

而牛顿认为，哪有这么复杂？光子就是粒子，你发的光，就跟无数个炮弹一样直来直去，就跟弹力球一样，于是提出了粒子说这种理论。

于是就出现两个派别，波动派和粒子派，两派是没事儿就争论，反正自己才是对的，不过牛顿已经是各种光环加身，各种buff附体，已经是学术界最吊的那个，所以大部分人都站在粒子派。

直到1801年，擅长骑马演杂技的托马斯·杨，做了一个双缝干涉实验，成功打翻了牛顿的粒子派。

这个实验简单来说，托马斯杨设置一个光源，无数的光子从这发出，根据光的波长公式在合理的位置上，放置一块板子，这个板子上面有两条缝隙：

1、如果光子是波的特性，那么穿过这两条缝的光子会互相干涉，好比俩水波撞一起发散出更多的水波，最后打在墙上的光就跟那个斑马线一样，这就说明，光有波动性，跟水波一样。

波动性

2、如果光子是粒子，直来直去，那么穿过缝隙的光子直直的打在墙上，那就只会出现两条光形成的杠。

粒子性

最后实验结果显示，光形成了斑马线一样的条纹，说明光就是跟水波一样的波动性，这一结果粒子派直接炸锅了，坏了，牛顿的棺材板都压不住了！

双缝干涉实验结果

然而过了100多年，杨老师做梦也想不到，后人对他这个实验各种魔改，加了各种DLC，是一次比一次抽象，一次比一次魔幻。

1905年，爱因斯坦大脑思维活跃，他利用光电效应证明，光就是粒子，给牛顿的棺材板压了一压，爱因斯坦说啊，当一定频率以上的光照射到金属或其他材料表面时，材料中的电子将会吸收光的能量，若该能量大于电子从材料中逸出的“逸出功”，电子就会克服材料对其的束缚，从表面逸出，形成“光电子”的现象，这就是光电效应，这个现象没办法用波来解释。

1909年，英国物理学家杰弗里泰勒开始了第一次魔改，他把这个光源调弱了，确保这个光子只能一颗一颗的过缝隙，他认为，杨老师的双缝干涉实验是光子太多了，一堆弹力球互相碰撞产生了类似波的特性，我这把一颗一颗的过去，指定是两条杠。

结果让泰勒大吃一惊，一颗一颗的过去居然还是斑马条纹！这不是闹鬼了吗？经常游泳玩水的都知道，如果你在平静的水面上，拿手指点一下，只能出现一道波，而用两根手指同时点，两个波互相干涉产生更多的波，你的手指就相当于那两条缝，只有波同时过去之后才会产生干涉，而现在的结果代表你点了一下水面，莫名其妙的多出来一道波互相干涉！无奈的泰勒发表意见，光子自己跟自己产生了干涉。

1924年，德布罗意提出了波粒二象性，他说啊，微观世界里，光子电子质子等等一堆子，同时具备粒子和波的特性，到这就已经开始抽象了。

1965年，物理学家理查费曼进行了第二次魔改，他提出思想实验，假设我们在光子穿过缝隙之前放置一台高速摄像机，看看光子到底是从哪穿过去，这不就知道为啥一个一个过去还是斑马纹了嘛。费曼预测，如果这样，那么干涉条纹就不存在，只会留下两条痕迹。

直到70年代，科学实验室才做成这一实验，因为光学的实验不是拿手电筒就能做，非常精密，而结果开始魔幻了，如果打开了观测仪器，那么就是两条纹，跟费曼预测的一样，但是关上仪器，结果就是斑马线条纹。这个光子就跟活了一样，你观测我，我就一个一个穿过去，你不看我，我就是波。就像你看你写作业的孩子，你不看他，他就打游戏，你看他，他就是在看书。

1979年，物理学家AJ惠勒也提出了思想实验，进行了第三次魔改，哎，我把高速观测器放后边，等光子穿过缝隙之后，我随机打开观测器，突然的抓住它，我看看它怎么选择，是变成波啊，还是变成粒子。反正仪器是没有，假设就完事了。

这就是著名的延迟选择实验。

这个实验过了得有五年才做出来，这回光子又活了，只要开机，就是一颗一颗打过去，只要关机，就是波的特性，这个结果是非常魔幻了，光子要么穿越回到过去，要么预知了未来，不然它怎么知道变的？因果关系全乱了。

1999年，科学家进行了第四次魔改，延迟选择的擦除量子实验。

这个实验太复杂了，我已经不知道怎么拿文字解释了，我简单来说，这个光子就跟台球一样，给它加个旋转，从左边缝过去的，加左旋转，从右边过去的加右旋转，这就知道到底从哪过来了，结果加了不同旋转时候，就是两条杠，不加旋转或者同一方向旋转，就是斑马线。这个就是量子擦除实验。

到了这，我就暂停了，这个实验各大科学博主啥的都有详细的解说，文字实在描述不了延迟选择的擦除量子实验，反正说到底，各种实验就是在表明，到底是斑马线还是两条杠，取决于观测不观测，就是最开始说的，杰斯是玩炮还是锤子，取决于你按不按这个R。而薛定谔的猫，也一个意思，这个猫是死是活？取决于你观测不观测，你不打开箱子看，这个猫就是一个又死又活的叠加态，就是这么抽象。

如果你以为懂了量子力学，那说明你还没懂——玻尔

而牛顿也是被这个光子整的头疼，1672年，他向学会干事巴格提交了一篇论文，研究光色来源，认为光是与以太相互作用产生波的高速度粒子流。而罗伯特·胡克不敢苟同，他和惠更斯认为光是以太的纵向振动，振动频率决定光色，也就是波动说，波动派和粒子派是展开了激烈的辩论，又回到这个波粒二象性的问题上了。

牛顿厌恶这一争论，曾在写给一位朋友的信里说：“因为我发表了先前的论文，引起了许多非议，使我精神上受到沉重打击。我失去了平静而有意义的幸福生活，而被这无聊的争吵弄得心绪烦乱。这真是无聊透顶，我越来越后悔，不该轻率地发表那篇论文。”

四、晚年牛顿

传言牛顿活了80年，前40年全是科学研究，他在科学上做出的贡献无与伦比，而后40年，他全在研究神学和炼金，这也是网上很多人说科学尽头是神学。

其实这是不对的，上面说了，牛顿不是晚年才研究炼金，一开始他就爱炼金，一天不炼，浑身难受，甚至最后去世时候人们发现他头发水银含量非常高，而神学也一样，他一开始就信上帝，而且用科学证明上帝存在的逻辑性，这俩都是一辈子的事情，他的著作，未发表80%都是研究上帝，发表的著作只占很少一部分，就算这样，发表的著作里面也无时不刻不提上帝：

彗星们以极大的偏心轨道，未知的命运将无法确保所有的行星以一种规则的同心轨道运行，一些难以预料的异常将会因为彗星与行星之间的相互作用而发生，而这种异常将会累积，直到整个太阳系需要一次重启。这种存在于行星系统内部美妙的均一性必须来自上帝的选择。——《光学》

六颗行星在围绕太阳的同心圆上朝着同一方向运行，而且大致维持在在同一个平面，彗星的路线则是顺着相当偏心的运行轨道扫过人类所见天空的一切覆盖面。而这个完美到令人不可思议的星球体系，其完美的程度只能让人将其归因于一个拥有无穷能力的上帝，这个完美的宇宙体系是出自上帝之手，并且受他统治。——《自然哲学之数学原理》

用我们的视角去看牛顿，好像牛顿后面是遇到了坎坷，研究不明白，只能去请上帝，然而实际牛顿家庭环境一直就充满了上帝的圣光，小时候父亲没了，母亲改嫁牧师，继父一大家子全信上帝，你说牛顿他信不信上帝，整个社会都在信啊，学院里面还有神学专职，你把牛顿单拎出来好像神棍，但要是整个看那个年代的欧洲，随便找个人他都信上帝，整个社会都流行炼金术，神秘学，还有乱七八糟的猎奇研究：

首先显微镜之父罗伯特胡克正在真空罩子里面抽血玩

然后英国皇家学会研究怎么给狗换血，探索四体液理论

最后另一个创造微积分的布莱尼兹拿二进制证明上帝的秩序

你能说只有牛顿一个人在搞神学吗？不，人人都在搞。

各种光环叠加的牛顿，晚年还跨界搞起了股票，自以为智商站在人类高地的他，直接成为韭菜界的祖师爷，1720年，英国股票刚刚起步，他因为买了著名的南海公司的股票而巨亏两万英镑，两万英镑在当时是大学教授几十年的工资，这回上帝也不好使了。