第1章初 窥 黑 洞
加尔各答黑洞
我们先讲一段题外话。
地球上曾有一个叫黑洞的地方，在印度的加尔各答。那里有一座城堡，印度作为英国的殖民地时，它曾是英军的据点。城堡中有一间不到24平方米的牢房，只有两个小窗，英军用它来关押喝醉酒的士兵，通常可以关三四个人。这间牢房被称为“黑洞”。
有一次印度爆发了反抗殖民者的民族起义，起义军围攻这座城堡，展开了一场血战，尸横遍野。4天后，战斗结束，愤怒的胜利者把146个俘虏都使劲塞进了这个“黑洞”，关押了10小时。当时正值最炎热的6月，第二天早晨打开“黑洞”的门时，其中123人已经死去，只剩下23个人还活着。
20世纪90年代在加尔各答开了一次天体物理研讨会，中国科技大学的卢炬甫教授向主办者提出能否参观一下这个“黑洞”。主办方表示抱歉，说这座城堡已经拆掉了。卢教授很惊讶，说怎么会拆掉，如果在我们中国，一定会保存下来作为爱国主义的教育基地。印度朋友说: “哦，你搞错了，当时不是英国人把印度人关到里面，而是印度人把英国俘虏塞到了里面。”第1章初窥黑洞看不见的星： 黑洞与时间之河
Invisible Star: 
The Black Hole, and the River of Time0000拉普拉斯与米歇尔的“暗星”
今天我们所说的黑洞是相对论预言的天体，然而在19世纪末，欧洲的两位学者就曾依据牛顿力学预言过黑洞的存在。不过他们当时没有称其为黑洞，只是讨论过这种质量巨大、发光可能很强，但远方观测者又看不见的暗星。
其中一位学者拉普拉斯（1799年）曾在他的巨著《天体力学》和科普书《宇宙体系论》中谈到过这种暗星，他在书中写道: “天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许像恒星那样多。一个具有与地球同样密度，而直径为太阳250倍的明亮星体，它发射的光将被它自身的引力拉住，而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。”然而最早预言这种暗星的还不是拉普拉斯，而是英国剑桥大学的学监米歇尔。他在1784年的一篇论文中谈到，由于恒星发射的光在万有引力作用下光速会越来越慢，如果恒星足够大，大到一定程度，就会使自身发射的光被自身的引力拉回来，于是远方的人就看不见这颗星了。
现在我们先回顾一下牛顿和他的物理理论，然后再来介绍拉普拉斯和米歇尔关于暗星的预言是如何从牛顿理论得出，又如何被否定的。
苹果落地的故事
大家都知道牛顿与苹果落地的故事。这个故事说，牛顿20多岁在乡下庄园里生活的时候，有一次坐在苹果树下思考问题，这时突然有一个苹果从树上落下来，使牛顿一下子想出了万有引力定律（图11）。
图11苹果落地的故事
这个故事非常有趣，只可惜其真实性很值得怀疑。牛顿生前从来没有人听到过这个故事，牛顿一死这个故事就冒出来了。而把这个故事传播到全世界的是法国大文豪伏尔泰。
牛顿去世时，恰好伏尔泰被法国当局驱逐出境，流亡在英国。他看到有好几万人给牛顿送葬，深受感动，觉得这个人实在太伟大了，于是去拜访了牛顿的亲属。
牛顿一辈子没有结婚，先是他的妹妹照顾他的生活，妹妹去世后就由他的外甥女照顾他的生活。伏尔泰拜访的就是牛顿的外甥女婿，这位绅士给伏尔泰讲述了苹果落地的故事。才华横溢的伏尔泰把这个故事加以润色演绎写进自己的文章，使它传遍全球。
然而，在此之前外界从未有人听说过这个故事。伏尔泰把它传播开后，有人对其真实性感到怀疑，这时又有几个在牛顿身边生活过的人出来说，他们也听牛顿讲过这个故事。
这么一个重要的使牛顿产生伟大灵感的故事，牛顿在世时居然没有和任何其他学者谈到过。何况中年以后的牛顿并不是一个谦虚的人，他后半生一直在跟别人争夺各项科研成就的发现权，其中很重要的一部分就是和胡克争夺万有引力定律的发现权。牛顿与外人进行了如此多的争吵，怎么一次也没有在争吵中提及这一故事呢？所以，许多人认为，这个故事很可能是牛顿的亲属为了确保他对万有引力定律的发现权而编出来的。
牛顿关于万有引力定律的论述最早出现在他的巨著《自然哲学之数学原理》中，此书是在他45岁时出版的。而苹果落地的故事发生在牛顿23～25岁，在乡下庄园里躲避鼠疫的时候。这个故事的出现，把牛顿发现万有引力定律的时间整整提前了20年，那是胡克等人所望尘莫及的。
童年的牛顿
牛顿的童年是不幸的，他是一个遗腹子，还没有出世，父亲就去世了。他的父亲是一个农民，文盲，而且脾气暴躁，不过据说智力还可以，家里也不算太穷。牛顿的父系家族基本没有文化，母系家族有点文化，但也不高。
后来母亲改嫁给一位60多岁的牧师。牛顿的继父有文化，也有些钱财。但这位“思想道德工作者”本人的道德水平并不高，他不能善待前夫的儿子。
牛顿小时候饱受歧视，与同父异母的弟弟关系很差，只与妹妹关系较好。幼年的牛顿由外祖父母抚养，很少得到母爱。这样的生活状况对牛顿的性格造成了极大的影响，致使晚年的牛顿显得尖刻而贪婪。
在这样的家庭条件下，童年的牛顿身体很差，学习也很差，和同学相比他什么都不行，对自己也缺乏信心。此时一个突发事件改变了牛顿的人生。
他们班上有一个小霸王，欺负牛顿，踢了他的肚子一脚，疼得牛顿忍无可忍。愤怒之下，小牛顿不顾自己身单力薄，憋足了全身力气，把那个小霸王揍了一顿。没想到居然打赢了，小牛顿马上信心大增，觉得自己还行啊。他想，既然打架能赢，说不定学习也行。打架产生的自信没有把牛顿引向邪路，反而使他走上了刻苦学习的正轨。于是他的功课大有起色，而且越来越好。
不幸的是，牛顿10岁时，继父又去世了，家中缺少劳动力。上中学时，母亲把他召回家，让他干农活。但他农活儿干不好，也不大上心，他放的羊把别人家的庄稼吃了不少。还是牛顿的舅舅有远见，觉得自己的外甥别看干农活儿不行，也许在学习上是块好料，于是说服姐姐让牛顿继续读书。
中学毕业时，牛顿的舅舅又积极活动，使他得以进入剑桥大学学习，并为他从学校争取了补助金。其实此时牛顿的母亲已从前夫那里继承了遗产，并不贫困，但她不愿为儿子掏学费。牛顿能拿到补助金，正合他母亲的心意。
然而，舅舅为牛顿争取到的这点补助金不是白给的，穷学生们必须为富有的同学打扫宿舍，买东西，甚至倒尿壶。这样的大学生涯，对于牛顿后来的性格肯定也有负面影响。好在牛顿的求知欲望强烈，而且确实才华出众，他终于以优异的成绩从剑桥毕业，并有幸留校当了教师。
牛顿的丰收年
刚刚留校，英国就闹鼠疫，牛顿不得不去乡下母亲的庄园中躲避。他23～25岁，在那里度过了一年半岁月。不过他没有虚度光阴，那时的牛顿已步入了科研的正轨，他在那里思考、研究了许多问题。据后来他自己说，他的力学三定律、万有引力定律、光的微粒说、色散理论、微积分，都是在那段时间中研究出来的。不过，他没有提到苹果落地的故事。这个故事如果有，就应该发生在这段时间。
牛顿在庄园中度过的那一年半时间，后来被称为牛顿的“丰收年”。
青年牛顿是幸运的，他留校后碰到了伯乐式的导师巴罗。实际上，牛顿的很多哲学和物理思想来源于巴罗。在巴罗的著作中我们可以看到他对绝对空间、绝对时间以及物体运动等许多重要概念的论述。在牛顿的巨著《自然哲学之数学原理》中不难看到巴罗的影子。
当时一位叫卢卡斯的富翁为了支持自然科学研究，给剑桥大学捐了一笔钱，设立了一个叫作“卢卡斯数学讲座”的教席，为数学和物理专业的教授支付薪金。
巴罗是第一任卢卡斯讲座教授，但他看到牛顿的杰出才华后，立刻让贤，把这一讲座教授的位置让给了牛顿。牛顿当时才27岁，确实身手不凡，他30岁时又当上了皇家学会会员（相当于院士）。
牛顿在《自然哲学之数学原理》（图12）中，论述了自己对力学的研究成果，谈到了绝对空间与绝对时间，还谈到相对空间与相对时间。他认为: “绝对空间，就其本性而言，与任何外部事物无关，它总是相同的和不可动的。相对空间是绝对空间的某个可动的部分或量度……”
“绝对的、真实的和数学的时间自身在流逝着，而且因其本性均匀地、与任何外部事物并不相关地流逝着，它又可以叫作延续性。相对的、表观的和普通的时间是延续性的一种可感知的、外部的（无论是准确的或不均匀的）借助运动来进行的量度，我们通常就用它来代替真实时间，例如一小时、一个月、一年。”
图12《自然哲学之数学原理》第一版
牛顿列出了力学三定律，给出了万有引力定律。这部书奠定了经典力学的基础，其内容之完善、逻辑之严谨都堪称科学著作的楷模，值得所有热爱物理学的青年学子浏览。
毫无疑问，牛顿是迄今为止最伟大的物理学家之一。
牛顿、胡克与万有引力定律的发现
牛顿时代的天文学家和物理学家，都熟知开普勒通过精细的天文观测得到的行星运动三定律（图13）: 
第一定律: 行星绕日运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。
第二定律: 行星的矢径在单位时间内扫过的面积相等。
第三定律: 行星绕日运动周期的平方，与椭圆轨道半长轴的立方成正比。
图13开普勒的行星运动定律
牛顿和胡克等人几乎同时认识到，如果开普勒第三定律成立，则太阳和行星间的引力就一定与距离的平方成反比。问题是，与距离平方成反比的力是否一定能导致行星运动轨道是一个椭圆？
有一次，哈雷与胡克等人在一起议论这个问题，胡克说，与距离平方成反比的引力，一定能导致行星运动轨道是椭圆，而且声称他证明过这一点。哈雷想看看他的证明，胡克不肯。
于是哈雷又去请教牛顿，牛顿也说，与距离平方成反比的引力一定能导致椭圆轨道，自己也证明过。哈雷说他想看一下牛顿的证明，牛顿当场找了半天，也没有翻出来。不过牛顿答应再证一遍给哈雷看。不久之后，哈雷收到了牛顿的来信，看到了牛顿的证明。
当牛顿发表《自然哲学之数学原理》(以下简称《原理》）一书时，遇到了麻烦。胡克说牛顿书中的万有引力定律是他先发现的，于是二人争吵起来，导致书无法出版。牛顿不得不做出让步，在书的序言中被迫写上胡克也是“万有引力与距离平方成反比”的发现者之一。不过，给出万有引力定律的正确而完整表达式（1.1）的人，肯定是牛顿。F=GMmr2（1.1）牛顿与夫莱姆斯梯德的冲突
除去与胡克争夺万有引力定律的发现权之外，牛顿还与天文学家夫莱姆斯梯德发生了争吵。牛顿在《原理》一书中引用了夫莱姆斯梯德的许多天文观测数据。《原理》一书再版时，牛顿听说夫莱姆斯梯德又有了许多新数据，就向他要，夫莱姆斯梯德不给。牛顿当时已经坐上了皇家学会会长的宝座，傲气十足，就命令夫莱姆斯梯德把数据交出来。夫莱姆斯梯德就是不给，牛顿也没有办法。于是牛顿又想了一招，让他的好友哈雷去向夫莱姆斯梯德借这批数据，哈雷拿到数据后，按照牛顿的主意把这批数据用在自己写的一本书上。牛顿想，哈雷这本书一出版，自己就可以光明正大地引用这批数据了。不料此事被夫莱姆斯梯德觉察到了，他就把哈雷告上了法庭，法庭裁决不许哈雷出版这本“剽窃的著作”。
牛顿一气之下，删掉了《原理》一书中原已引用过的来自夫莱姆斯梯德的所有数据。
夫莱姆斯梯德非常愤怒，此后不再和牛顿讲话。他认为“牛顿是一个阴险的、野心勃勃的、极其贪婪的沽名钓誉者，根本不能容纳不同意见……”，不过他最后还是表现得比牛顿有度量，较为公正地评价了牛顿，“……归根到底是个好人，但生性多疑。”
牛顿与莱布尼茨的争吵
最著名的冲突发生在牛顿与德国数学家莱布尼茨之间，两人争夺微积分的发现权。现在已经清楚，两人是各自独立创建微积分的。牛顿是在研究速度时发现的，莱布尼茨则是在研究切线斜率时发现的。牛顿的发现时间要早一点，但他公布发现的时间晚于莱布尼茨。
当时两人公开争吵，双方的朋友都出来帮忙。牛顿的朋友写文章说是牛顿先创建的，莱布尼茨的朋友则发表文章说是莱布尼茨先创建的。不过后来发现，不少牛顿朋友所写文章实际上是牛顿本人先写好，然后以他朋友的名义发表的。
在争吵中莱布尼茨犯了一个错误。当时英国的科学比德国发达，于是莱布尼茨请求英国皇家学会出面成立一个“公正的委员会”来裁决一下，究竟是谁先发现了微积分。
让莱布尼茨没有想到的是，作为皇家学会会长的牛顿就敢胡来，牛顿以会长身份指定了一个全部由自己的朋友组成的“公正的委员会”，这一委员会“裁决”莱布尼茨剽窃，牛顿还私下为这个委员会起草了裁决书。
委员会裁决之后，牛顿还觉得不解气，又化名写了一篇文章，回顾这件事情的来龙去脉，以彻底把莱布尼茨搞臭。据说，莱布尼茨非常伤心，不久就去世了，牛顿则沾沾自喜。
莱布尼茨是一位才华横溢的学者，他不仅研究数学，还研究物理、哲学、历史、法律、神学和外交。
莱布尼茨与牛顿不仅在微积分的发现权上产生冲突，而且还在哲学和时空观上进行过争吵。牛顿说存在一个“绝对空间”和一个“绝对时间”，莱布尼茨说根本就没有“绝对空间”，也没有“绝对时间”，一切都是相对的。“空间”不过是物体相对位置和方向的表现，时间不过是事件发生的先后顺序的排列。没有物质，就没有时间和空间。



绘画: 张京