牛顿在发现万有引力现象的时候科学已经具备了些什么背景知识？

马海飞

（http://blog.sina.com.cn/gfis  2019年12月10日）

在今天的教科书里和很多地方几乎把所有有关万有引力定律的相关知识都归功于了牛顿。因此而给人产生出来的感觉好像是：1）“引力”这个概念是牛顿提出来的。2）“引力与距离平方反比的关系”是牛顿发现的。3）F=GMm/r²这个引力公式是牛顿建立的。4）“引力常数G”也是牛顿提出来的。总之，与建立万有引力定律有关的所有主要研究成果都是由牛顿一个人取得的。其实事实根本就不是这样。

牛顿的万有引力理论并不是在什么背景知识都没有的情况下凭空建立起来的。实际上在牛顿建立万有引力理论之前，当时的科学界已经积累了很多相关的背景知识。牛顿是在这些背景知识的基础上再加上他自己的创新思路才建立起他的万有引力定律的。

1）“引力”这个概念并不是牛顿提出来的。据说早在牛顿出生的一千多年之前就有印度学者提出了“引力”这个概念。虽然没有详细的记载，但估计他是借鉴磁石吸铁的现象来解释地球上的物体与地球之间关系的。他认为地球上的物体之所以都落向地球并“粘”在地球上不会被地球的自转甩出去，是因为地球对它们施加了引力的缘故。地球的引力把树上成熟的苹果吸引到地面。因此苹果只能落向地面，而不会落向其他方向。所以说，在牛顿提出“万有引力”这个概念之前，“地球具有引力”的说法早就已经存在了。只不过当时的人们认为地球的引力只存在于地球上。天上的天体运动与地球上的引力没有任何关系。所以说，“引力”这个概念实际上是牛顿从前人那里继承下来的，而不是牛顿最早提出来的。牛顿在引力这个概念上做出的重大发展是他在引力前面加上了“万有”两个字。“万有引力”概念中的“万有”才是完全属于牛顿的贡献。而“引力”不是牛顿的贡献。

2）在牛顿还没建立引力定律之前，当时的科学家就已经开始用力来研究天体之间的关系了。因此才会有开普勒定律的出现。虽然当时的科学家们不知道有什么“万有引力”的存在，但他们却凭借想象认为太阳与地球和其他行星之间的关系都是靠力来维系的。当时的科学家在分析太阳与地球等行星关系的时候使用的力是离心力和向心力。有时候也会使用引力的概念，但并没有人去想这些天体之间的力与地球上的引力之间是什么关系。在牛顿公开提到万有引力的大小与距离平方成反比的时候，牛顿与胡克在“力的大小与距离平方成反比”的发现权问题上产生出了强烈的争执。胡克认为这个发现属于他，因为胡克比牛顿更早提到过距离平方反比的事情。但在牛顿看来，平方反比律是一件由惠更斯或者更早期的吉尔伯特（15441603）、培根（15611626）、开普勒（15711630）以及布里阿德（1605-1694）等很多人早就已经意识到了的事情，并不是胡克最早发现的。这就说明，“引力与距离的平方反比定律”既不是胡克发现的，也不是牛顿发现的。不过，那些提到过天体之间的力似乎存在距离平方反比关系的人对这种平方反比关系的认识仅仅处于感性阶段。没有任何一个人用任何可信赖的方法对此做出过确认。所以说，在牛顿之前，距离平方反比关系仅仅是一种并没有得到确认的观点。接受了这个观点之后，天才的牛顿用数学分析的方法确定了平方反比关系的真实存在。所以说，在距离平方反比关系的问题上，牛顿不是一个提出者，而是一个验证者。所以，万有引力定律中的那个力与距离平方成反比的关系并不是牛顿发现的。而是他从前人那里传承下来并确认的。

3）牛顿也从来都没有建立过任何可以用来计算引力大小的引力公式。虽然天体之间的引力大小与两个物体的大小（质量）成正比的关系是牛顿提出来的，但这一论断仅仅是一个出自符合情理的逻辑推理结论。更像是猜出来的。并没有任何科学理论依据和数学推导过程。牛顿就是在这些基础上最终勾勒出了那个“万有引力定律”的框架。即：在任意两个物体之间都存在着相互吸引的万有引力。万有引力的大小与这两个物体质量的大小成正比，与它们之间距离的平方成反比。“与这两个物体质量的大小成正比”的说法被后人发展成了“与这两个物体质量的乘积成正比”。并由后人在此基础上建立了牛顿从来都没有见过的F=GMm/r²这个引力计算公式。牛顿不但没见过这个公式，甚至也没听说过引力常数G。

从以上介绍的内容可以看出，牛顿在建立万有引力定律的时候，实际上人们对很多自然现象都已经有了不同程度的理解和认识。牛顿在有关这方面的实验和观察上几乎没有做出任何重要的贡献。“引力”是一个存在已久的概念，“平方反比定律”也是早就有人提到过的事情。“引力与两个物体的大小成正比”是人人都会想到的事情。因此，估计在牛顿提出万有引力理论的时候胡克等人一定会认为牛顿的理论毫无新意可言。由于牛顿所说的大部分内容早就有前人提到过了。因此可以说，他基本上就是把前人已经掌握了的那些零散的基本知识拿过来提炼了一下，然后换个新的思路重新整合了一下而已。肯定会让包括与牛顿争执不下的那个胡克在内的很多前人感到遗憾的一件事情是，他们当中竟然没有任何一个人从“地上与天上遵循着相同自然规律”的思路上去看待和运用他们已经掌握了的那些知识。而这恰恰就是为什么除了牛顿以外，其他人不可能提出“万有引力”这个新理论的原因。面对相同的知识，牛顿的那个“地上与天上遵循着相同自然规律”的思路是独一无二的。这才是牛顿成功的秘诀。

为什么牛顿能想出“地上和天上的自然规律是相同的”而别人想不到呢？这对科学理论创新研究来说是一个非常重要和值得研究的问题。我认为，其主要原因就是因为牛顿在他的研究过程中曾一度脱离了书本上的理论研究，回到自然世界中，直接针对自然现象进行研究的缘故。牛顿没有像大多数学者那样把头埋在书本里沿着前人确定好的思路进行研究。而是回到大自然中，从“苹果为什么一定要落向地面，而不会落向其他方向或飞离地球”，“射出去的炮弹速度不同就会飞行距离不同”并联想到“月球就是因为围绕地球转的速度很快才不会落向地面”等等非常接地气和原始的问题上进行思考。牛顿思考的这些问题都是胡克以及开普勒等其他科学权威们未曾想过的问题。所以说，牛顿的成功来自于他回到了自然，从自然现象中找思路和灵感。最终取得了成功。

牛顿的成功告诉我们，严格按照在前人理论中已经铺设好的思路研究下去很有可能是没有出路的。科学理论研究在发展过程中一定要经常不断地回到自然世界中，回到原点，从最基本的地方重新开始。我们今天所处的这个时代物理学理论研究的发展很不乐观。似乎已经走进了死胡同。其中的主要原因之一就是物理学基础理论的发展自从走上了爱因斯坦相对论和量子力学理论的轨道之后，在这一百多年里，科学家们就再也没有像牛顿那样回到自然世界里或回到原点重新开始的缘故。物理学家们一直都是在量子力学和相对论的思路指导下向前发展。从来也没考虑过这些思路是否正确的问题。

为什么回归自然回归原点对科学理论研究的发展方向那么重要？针对这个问题我可以用一个科学实验结果做出回答。我听说曾经有位大学教授做过这样一个实验：他让一百个学生排成一条长龙。然后他对同学们说：我现在悄悄告诉第一个同学一句话，让他把这句话再悄悄地传给第二个同学。然后以同样的方法传下去。最后让第一百的那个同学宣布他听到的这句话。实验结果表明，最后那个第一百的同学说出来的话与第一个同学从老师那里听到的话已经完全不同了。

这个实验证明，从传递过程中得到的信息很有可能是不准确甚至是错的。我在此举这个例子的用意就是想告诉人们，物理学理论也是这样一代一代传递下来的。今天人们看到的很多“科学结论”在一开始的时候可能只不过是一些毫无依据的猜测。可是，传递几代之后，毫无依据的猜测就变成科学结论了。怎样才能避免这种事情发生呢？一个很简单的方法就是“回归”。例如，在上述一百个学生传话的实验中，中途如果有学生回到第一个同学那里确认一下他从老师那里听到的话是什么，他就不会继续传递错误信息了。同样道理，物理学理论研究也必须要经常回到自然世界里或建立理论的原点上，像牛顿那样从自然现象中去寻找出路和建立科学理论。

因为认识到了这一点，我自己身先士卒，想用自己的研究来验证我自己的这个想法。结果得到了非常好的效果。

虽然我事先并没有刻意去复制牛顿的做法，但我事后发现我的做法与牛顿非常相似。

由于我最感兴趣的是“万有引力问题”，因此从一开始我就避开了牛顿引力理论和爱因斯坦引力理论的影响，直接回到了牛顿建立引力定律之初的时代。这样做就可以避免按照今天教科书上写的牛顿引力理论或爱因斯坦的引力理论思路走。正是因为要回到牛顿开始研究万有引力问题的起点上，才会对牛顿是如何建立万有引力定律的过程进行研究，因此才发现了原来引力概念并不是牛顿提出来的，距离平方反比定律也不是牛顿发现的，甚至引力公式也不是牛顿建立的等等这些真相。除此之外，我还发现，牛顿提出来的“万有引力”从一开始就是一个没有确切依据的猜测。更确切地说，早在牛顿一千年之前的那个印度学者提出的“引力”概念就是一个毫无科学依据的猜测。属于设想出来的东西。牛顿在对引力是什么毫无验证的情况下就直接拿来使用了。从那时开始就把万有引力理论带上错误的方向。而且还发现，牛顿对引力定律中的内容所对应的物理过程根本就不知道。例如，牛顿并不知道距离平方反比关系的物理意义是什么。也不知道万有引力是从什么地方产生出来的。也不知道相距遥远的天体之间的万有引力是如何瞬间传递的。更不知道引力常数是什么。

在了解到了这些之后我才意识到，如果按照牛顿的思路继续研究下去是绝对不可能有出路的。只有使用一种全新的思路才有可能解决万有引力问题。实际上，爱因斯坦所尝试的做法也是使用了一种与牛顿完全不同的思路来解决万有引力问题。但爱因斯坦的思路仍然不正确。

我和牛顿一样，自己并没亲手做什么实验和实地观测。使用的实验和观测数据都是别人已经发表的。我回到了物理学最基本的物质属性上，从别人发表的实验数据中我产生出来的一个新的思路：这就是“物质是实体与场的统一体”。而不是跟着现有物理学理论的思路走。就像牛顿当年从苹果落地的现象中产生出了“地上和天上的自然规律”都一样的思路之后，他就具备了解释苹果落地与月球挂在天上不掉下来这些自然现象之间的关系的能力一样，当我产生出了“物质同时具有实体和场属性”的思路之后，一下子就可以把万有引力现象彻底解释清楚了。不但如此，还可以把牛顿和爱因斯坦解释不了的相关问题全都解释清楚。也可以把诸如“物质运动的本质”、“惯性的本质”和“电磁波的本质”是什么等诸多基础物理学问题也都解释清楚。我的整个研究过程与牛顿提出万有引力定律的过程非常相似。除此之外，我比牛顿更胜一筹的是牛顿当时并没有建立起任何有用的计算公式。他仅仅是用他的万有引力理论对自然现象进行了圆满的解释。而我不但可以用我的理论对各种自然现象做出圆满的解释，而且还配有非常实用的计算公式。

我与牛顿思路的主要分歧至少有四点：1）牛顿认为万有引力现象是一个力学现象，而我认为它是物质属性现象。2）牛顿认为万有引力是导致万有引力现象产生的原因。而我认为自由落体加速度是导致万有引力现象产生的原因。在万有引力现象中的力是因为物体存在自由落体加速度而产生出来的。3）牛顿认为在万有引力现象中力与加速度之间的因果关系是力是因，加速度是果。我认为加速度是因，力是果。沿着牛顿的思路永远也找不到产生万有引力的原因。而沿着我的思路很容易找到自由落体加速度产生的原因。4）牛顿认为，天上和地上的物体无条件地遵循着相同的自然规律。而我认为，物质实体与场所遵循的自然规律是不同的。具体来说，巨大质量的物体与小质量的物体遵循的自然规律是不同的。虽然天上的地上的自然规律是相同的，但因为地上和天上物体质量的巨大差别，因此天体和小质量物体所遵循的自然规律实际上是不同的。

在万有引力问题上，我与爱因斯坦在思路上的主要分歧主要有一点。那就是爱因斯坦认为物体与时空之间的关系是相互独立的。时空与物体之间存在相互作用关系。物体的巨大质量可以导致时空变成弯曲形状。弯曲时空反过来可以让物体按照它的几何特性运动。因此爱因斯坦认为万有引力现象的产生原因是弯曲时空的几何效应。而我的思路是：物体本身就自己带有一个实体和一个包围在实体周围的球形场。这个实体与场之间是不可分割的统一体关系。在宇宙空间里并没有“时空”这种东西。导致万有引力现象出现的原因是自由落体加速度。而产生自由落体加速度的原因是物质的属性场。爱因斯坦的弯曲时空理论无法说出弯曲时空的物质基础是什么。是从哪里来的。而我的物质属性场是什么以及它的来源和自由落体加速度的来源都非常清楚。所以，如果爱因斯坦能把弯曲时空改变成我的球形属性场的话，爱因斯坦的理论就和我的理论统一起来了。也就不存在讲不清的事情了。

很明显，牛顿在建立万有引力理论过程中对他来说最重要的事情既不是数学运算，也不是引力概念的提出，更不是距离平方反比关系的发现，而是他从苹果落地和炮弹射出去的速度与距离的关系以及月球挂在天上不掉下来这些自然现象所看出其背后的关系上所得到的前所未有的新思路。思路正确比什么都重要。当年哥白尼的日心说也是因为思路正确才打败地心说的。

我对自己的理论之所以信心十足的一个主要原因也是因为我认为自己的思路是正确的。只有在物质是实体与场的统一体的思路上从事研究才有可能得出正确的结论。

建议那些一直在牛顿和爱因斯坦理论基础上从事研究的人不要成为前面举例中的第一百个传话的人。一定要及时回到原点从自然世界里获得信息、思路和灵感。