简介
这是科学界最伟大的人物之一——牛顿的一生，一代科学天才的浮生一梦。
作者格雷克借助牛顿的重要信件和未出版的笔记，记述了牛顿的生活经历，以及这位科学伟人所处的历史全貌。牛顿的思想是如何一步步形成的？在那个古老的、直觉的、炼金术的宇宙，是什么孕育了“牛顿数学”？牛顿在哲学、物理学、光学和微积分等方面的重大成果，如何一步步改变了人类理解世界的形式？作者生动描绘了一位科学天才内心的矛盾冲动和人格的微妙之处，让我们认识了这位远见卓识的“伟人”和“怪人”的一生，与他所努力理解的宇宙一样非凡。
《牛顿传》是诸多关于牛顿生平的著作中的经典名作，受到科学界和大众读者的喜爱和推崇。本书适合对牛顿生平以及数学、物理学、哲学和科学史感兴趣的读者阅读。
作者介绍
詹姆斯·格雷克（James Gleick）
国际知名的科普作家、科技记者、科技史家，也是一位作品被视为对现代科技产生文化冲击的互联网先锋，他由于使用叙事非小说技巧介绍陌生复杂概念而广为人知，被称为“史上最伟大科技作家之一”。
格雷克的作品已被翻译成三十种语言。1987年，他的首部作品《混沌》入围美国国家图书奖和普利策奖决赛，并成为畅销书，使得“混沌”“蝴蝶效应”的说法家喻户晓。其后他又陆续出版了《费曼传》（1992）、《越来越快》（1999）、《牛顿传》（2003）等书。他的上一部书《信息简史》（2011）荣获英国皇家学会科普图书奖、美国笔会爱德华·威尔逊科普文学奖、英国笔会赫塞尔–蒂尔特曼奖（简体中文版荣获2014年第九届文津图书奖），并成为国际性畅销书。《信息简史》的中文版于2013年问世，并荣获第九届“文津图书奖”。
部分摘录：
他适合做什么？ 中世纪时期，略显破败的伍尔索普农舍坐落在威特姆河附近的小山包上。矮小的前门、紧闭的百叶窗、忙碌的厨房、以芦苇铺底的赤裸的梣木和椴木地板，这间农舍迎来牛顿一家不过是在二十年前。农舍的后面是一片苹果树林，羊群在附近的草地上吃草。
牛顿出生在农舍顶楼的一个小房间里。根据封建法律规定，这间农舍属于私人领地，遗腹子牛顿是农舍的主人，拥有管理住在附近茅屋里的数名佃农的权利。对于牛顿的祖先，我们只能追溯到其祖父罗伯特·牛顿，他葬在农舍以东一英里的教堂墓地。家人希望牛顿能够接替他从未谋面的父亲管理农场。牛顿的母亲汉娜·艾斯库出身名门。汉娜的哥哥牧师威廉·艾斯库在剑桥大学深造，是两英里外的一个村子的教区长，即将成为圣公会的神职人员。在牛顿 3 岁时，年近三十的母亲接受了邻村一位年龄是她两倍的富有教区长巴纳巴斯·史密斯的求婚。史密斯想要一个妻子，但不想要继子。按照结婚协议，汉娜把牛顿留在伍尔索普农舍，让牛顿的外祖母照顾他。1
1巴纳巴斯·史密斯时年 63 岁，是一名富有的教区长；汉娜·艾斯库那时大约 30 岁。两人的婚姻是这位教区长所辖教区的一位居民（他收了介绍费）和汉娜的哥哥协商的结果。双方达成协议，小艾萨克必须留在伍尔索普，史密斯会留给他一块土地。汉娜的嫁妆是一块每年可以带来 50 英镑收益的土地。
牛顿的青年时期是在战火纷飞的乡村度过的。他出生那年爆发了长达十年的大叛乱：议会派和保皇派争斗不断，清教徒在英格兰教会的偶像崇拜面前畏缩不前。鱼龙混杂的雇佣兵在整个中部地区冲突不断，手持长枪和滑膛枪的士兵会经过伍尔索普附近的田地。2 有些人会成群结伙地抢掠农场的物资。英格兰深陷内战，但它也渐渐清楚地认识到自己的国家身份和特殊性。这个四分五裂、面临教会形式和信仰巨变的国家正在经历一场真正的革命。获胜的清教徒拒绝接受专制统治，并否认君主制拥有神权。1649 年，牛顿刚满 6 岁，国王查理一世在其宫殿的高墙下被送上了断头台。
21643 年 5 月 13 日，格兰瑟姆附近爆发了一场小规模的冲突。在那年的整个夏天，零星的战斗一直在那附近持续不断，并在接下来几年里偶有发生。
当时的英格兰像个大农村，约占地球陆地面积的千分之一，自一万三千多年前地球变暖、极地冰川融化的时候起，这片土地就与主体大陆分隔开来。以劫掠和水运为生的部落一波接一波地定居在英格兰的沿海地区，随后又扩散到低地和山谷，并聚集成村落。这些人对自然的了解或信仰在一定程度上取决于对技术的运用。他们学会了利用风力和水力来捣碎、碾磨和抛光。熔炼、锻造和碾磨技术那时已经在经济中占据重要地位，并推动了分工的细化和阶级的分化。英格兰人民就像其他人类社群一样，已经能够制造铜壶、铁棍和铁钉等金属器具，还能制造玻璃。这些手工制品和材料是知识飞跃的物质基础，其他的物质基础还包括镜片、纸张和墨水、机械钟表、精确到无限小数位的计数体系和覆盖数百英里的邮政服务。
牛顿出生的时候，一个约有 40 万人口的大型城市已经形成，当时没有任何城镇的体量能够达到它的十分之一。英格兰仍然是一个遍布乡村和农场的国家，这个国家的季节依照基督教历法和农业生产的节奏来安排：何时羔羊和牛犊出生，何时割晒牧草，何时收获庄稼。连年的粮食歉收造成了大范围的饥荒。3 流动劳动力和流浪汉占去英格兰人口的一大部分。但是，一个由工匠和商人构成的新型阶层正在形成，包括贸易商、商铺主、药剂师、玻璃匠、木匠和测量员等，这些人都形成了一种实用、机械的知识观。4 他们使用数字并制造工具。以制造业为核心的经济初露雏形。
3克里斯多弗·克雷，《经济扩张与社会变革》（Economic Expansion and Social Change），第 8-9 页。
4人们认为商人应该“有文化并精通读写”，还要“懂得算术的知识和技巧”，如果不用笔的话，也得能用算筹进行计算。休·奥尔德卡斯尔，《记账简要指南》（A Briefe Instruction and Maner How to Keepe Bookes of Accompts，1588 年），基思·托马斯，《近代英格兰算术》（“Numeracy in Early Modern England”）引述，第 106 页。
到了上学的年纪，牛顿步行到村中的妇媪学校，他在那里识字、学习《圣经》和诵读算术表。牛顿的个头比同龄的孩子小，被家人遗弃的他形单影只。有时他希望继父死掉，甚至希望母亲也死掉，大怒起来还威胁要把他们连同房子一起烧毁。有时他又希望自己死掉，但他知道这样的愿望是一种罪。5
5在他 20 岁那年的圣灵降临节前后，在三一学院学习的牛顿经历了某种良知危机，并用一种自创的速记方式记录下自己的罪过。他记录的早期罪过有“威胁我的继父和母亲，说要烧毁他们的房子并把他们一起烧死”。他还记起自己对母亲和同母异父的妹妹“动不动就发火”，殴打妹妹和其他人，“出现不洁的想法、言行和梦”，还曾多次撒谎并违犯安息日的戒律。理查德·S. 韦斯特福尔，《牛顿良知的简录与状态》（Short-Writing and the State of Newton's Conscience），第 10 页。
在晴朗的日子里，太阳悄悄爬上墙头。黑暗和光明似乎从窗前滑落——抑或从眼前滑落呢？没人知道答案。阳光投射出倾斜的边缘，辉映着明暗之中的窗棂影子，时而清晰，时而模糊，形成一个平面相交的立体几何图形。尽管太阳的运动是天体中最规律的，它的运行周期已经成为测量时间的基准，但当时的人们很难想象其中的细节。牛顿画出粗略的几何图形，把圆分成一段段小圆弧，并在圆弧上做标记，然后把木钉钉在墙面或地面上来计算时间，这种方法可以精确到刻钟。6 他把这种日晷刻画在石头上，并绘出指针投射的阴影。这就意味着时间与空间具有了相似性，时长可类比为弧长。牛顿用绳子计算小段距离，把英寸 7 换算成分钟，并根据季节的变化调整换算的方式。太阳在一天之中升起又落下，而在一年之中，太阳在天空中的位置相对于恒星略有偏移，在空中缓慢地画出一个扭曲的“8”字形状，8 这个肉眼看不到的“8”字只在脑中可见。牛顿很早就注意到这种运行模式，但他后来才明白，这是两种奇异现象的产物，也就是地球的椭圆公转轨道和倾斜的自转轴的产物。
6威廉·斯塔克利，《艾萨克·牛顿爵士生平回忆录》，第 43 页：“他展示了一种满足自己对太阳运动的好奇心的方法：在家中的各个角落、自己的卧室、过道、房间等任何阳光出现的地方制作形态各异的日冕。”
71 英寸≈ 2.54 厘米。——译者注
8日行迹。
在伍尔索普，任何关注时间的人都会以牛顿的日晷为参照。9 莎士比亚笔下的亨利六世说道：“哦，上帝！我觉得这样反倒可以过着幸福的生活……雕制一个精巧的日晷，看着时光一分一秒地消逝。”10 尽管当时的一些教堂已经使用了机械钟表，但日晷（影子钟）仍是使用最广的计时工具。夜晚，星星出现在深邃的苍穹中；或盈或亏的月亮沿着自己的轨道运动，就像太阳那样，但又不完全一样——这些巨大的天体支配着地球上的季节更迭、日夜变换，就好像有一根看不见的绳子把它们连接了起来。11 日晷体现出几千年来不断完善的实践知识。用简陋的日晷计算出的小时长短不一，而且随着季节的交替而变化。改进后的日晷精确度大大提高，并改变了时间本身的意义：时间不仅是一个重复的周期，或是对事物产生影响的神秘变量，它还是可以测量的持续时间，即一种维度。但是，没人能够制作出完美的日晷，甚至连理解日晷原理都谈不上，直到一幅神秘的拼图全部完成：阴影、节奏、行星的运行轨道、椭圆的特殊几何形状、物质之间的引力。所有这些都指向同一个问题。
9威廉·斯塔克利，《艾萨克·牛顿爵士生平回忆录》，第 43 页：“并制作了这些曲线的某种历书，人们根据曲线可以得知每个月的日子，还有太阳进入的星座、春分或秋分和至日。因此，在太阳普照时，牛顿日冕就成了家人和邻居的时间指引物。”
10《亨利六世》（Henry VI），第三幕，第二景，21。
11最后，他写道： 从表面的行为认识特定物体的真实运动的确非常困难，因为不变空间中发生运动的那一部分，无法为我们的感官所感知。但是，情况并非完全无望。因为我们有一些论据可以作为指导，一部分来自表面的运动，也就是真实运动的差异；一部分来自力，也就是真实运动的原因和效应。例如，如果两个球由一根绳子连接并保持给定距离，围绕它们共同的重心旋转，那么我们则可以通过绳子的伸张知道球欲离开运动轴所做的努力，从而计算出它们圆周运动的量…… 《原理》英文版，安德鲁·莫特，第 12 页。
1653 年，牛顿 10 岁。这一年，巴纳巴斯·史密斯去世，汉娜回到伍尔索普，还带来了三个孩子。她把牛顿送到大北路以北八英里的格兰瑟姆上学，那是一个拥有数百户居民的集镇，眼下成了要塞。格兰瑟姆镇有两家旅馆、一座教堂、一所行会会馆、一个药房和两间加工玉米和麦芽的磨坊。12 每天步行八英里上学实在太远，于是，牛顿寄宿在药剂师威廉·克拉克位于高街的家中。小牛顿睡在阁楼上，他把自己的名字刻在木质楼板上，还用木炭在墙壁上画画：鸟雀和野兽、人物和船只，还有纯抽象的圆环和三角。13
12比尔·库瑟，《空位期时的格兰瑟姆：1641 年至 1649 年》（Grantham during the Interregnum, 1641–1649）。
13威廉·斯塔克利，《艾萨克·牛顿爵士生平回忆录》，第 43 页。其中还发现了其他一些可能出自牛顿之手的图解。德瑞克·托马斯·怀特赛德〔《艾萨克·牛顿：一位数学家的诞生》（Isaac Newton: Birth of a Mathematician），第 56 页〕冷静地评价道：“可能只有怀着盲目的母爱才能在这些相交的圆环和线条图形中看出艺术天分或数学才能的萌芽。”
在牛顿就读的国王学校里，严格执行清教徒纪律的校长亨利·斯托克斯教 80 个男孩学习拉丁文、神学，以及基础的希腊语和希伯来语。在英格兰大部分的学校里，这些课程就是教学的全部内容，但斯托克斯为这些未来的农夫增加了一些实用计算的内容：主要是测量地块的形状和大小、勘测算法、用链条丈量土地、按英亩 14 计算土地面积（尽管当时的英亩仍然因地而异）。15 斯托克斯教给学生的要比农夫需要掌握的多，比如怎样在一个圆内画出内接正多边形并计算每条边的长度，就像阿基米德估算圆周率那样。牛顿在墙上涂画阿基米德的图解。他在 12 岁那年陷入低谷，孤独、焦虑又好斗。他在教堂墓地跟其他男孩打架，有时打得鼻血直流。在一本拉丁语作业本上，牛顿无意识地写满了句子，有些是抄来的，有些是他自创的，那就是一股忧伤的思绪之流：一个小家伙，我很无助，他面色苍白，那里没有我的容身之处，房子的顶楼——地狱的底层，他适合做什么工作呢？他擅长做什么呢？ 16 牛顿陷入了绝望。我要做个了断。我只能哭泣。我不知道该做什么。
141 英亩≈ 4046.856 平方米。——译者注
15人们长期以来多认为牛顿在童年时期没有接受过数学训练，但格兰瑟姆博物馆（D/N 2267）中藏有斯托克斯的私人笔记本——“数学笔记”（Notes for the Mathematicks）。德瑞克·托马斯·怀特赛德，《数学家牛顿》（“Newton the Mathematician”），参见泽夫·巴赫勒的《当代牛顿研究》（Contemporary Newtonian Research），第 111 页。论及英亩的著作有比如威廉·配第爵士的《政治算术》（Political Arithmetick）和约翰·沃利奇的《系统化农业》（Systema Agriculturæ，伦敦，多林出版社，1687 年）等。
16弗兰克·E. 曼努埃尔，《艾萨克·牛顿肖像》（A Portrait Of Isaac Newton）引述，第 57-58 页。“拉丁语练习簿”（Latin Exercise Book）最初为朴次茅斯典藏（Portsmouth Collection），现为私人藏家所有。曼努埃尔补充道：“笔记中积极情绪的缺乏令人惊讶。‘爱’这个字眼从未出现过，对幸福和渴望的表达少之又少。对烤肉的喜爱是唯一强烈的感官热情。”
从人类在石头和羊皮纸上用符号记录知识到牛顿的那个时代不过经历了六十代。英格兰的第一家造纸厂于 16 世纪末在德特福德河河畔开业。当时的纸张价格昂贵，书写文字在日常生活中只占很小的一部分。人们的绝大部分想法没有留下文字记录，而被记录下来的那一部分要么被藏了起来，要么遗失不见。但对于某些人来说，那似乎是一个信息泛滥的年代。熟悉信息传播和存储的教区牧师罗伯特·伯顿（他几乎就住在牛津大学的博德利图书馆里）写道：
我每天都会听到新鲜事，那些这个动荡不安的年代造就的常见传闻，关于战争、瘟疫、火灾、洪水、盗窃、谋杀、大屠杀、流星、彗星、光谱、神童、幽灵……诸如此类。每天都有新书出版，还有小册子、假新闻、各类故事，无所不有，还有新的悖论、观点、派系、异端和哲学、宗教等方面的争论。17
17罗伯特·伯顿，《忧郁的解剖》（Anatomy of Melancholy），第 14 页。
伯顿试图把所有以前的知识都囊括到他自己编写的一本没有章法、不着边际的百科全书中。他对自己坚定的剽窃行为毫无歉意，或者说，他是这么表达歉意的：“站在巨人肩上的矮子可以比巨人自己看得更远。”18 他尝试读懂来自域外的罕见书籍，书中的内容是第谷、伽利略、开普勒和哥白尼对宇宙奇妙而又矛盾的解读。伯顿试图用古代智慧调和这些人的看法。
18完整的说法是：“尽管物理和哲学领域有很多旧时的巨人，但我赞成迪达库斯·斯代拉的说法：‘站在巨人肩上的矮子可以比巨人自己看得更远；较之先辈，我可能进行添加和改变，并看得更远。’”这既不是这个警世故事的开头，也不是它的结尾。关于这一点，您必须读一读罗伯特·K. 默顿的《在巨人的肩上》（On the Shoulders of Giants）。
地球是运动的吗？哥白尼再次提出了这个观点，但是将其作为“一种假定，而非一种真理”。其他几个人也同意这种说法，“如果地球是宇宙的中心并且静止不动，就像大多数普遍被接受的观点所认为的那样”，19 其他天体围绕它转动，那么这些天体的转速一定快得令人难以置信。这是计算太阳和其他星星到地球的距离后得出的结论。伯顿借用（并误用）了一些算术：“天体在 24 小时内走完的距离，人要每天走 40 英里，连续走 2904 年；或者说，天体在一分钟内走完的距离，人要走 203 年；这是不可能的。”人们透过望远镜观察星星，伯顿本人通过一台八英尺 20 长的望远镜观察木星，他同意伽利略的观点，认为这颗流浪星球拥有自己的卫星。
19罗伯特·伯顿，《忧郁的解剖》，第 423 页。
201 英尺≈ 30.48 厘米。
尽管当时没有现成的说法来解释这个难题，但伯顿被迫考虑转变观点的问题：“如果一个人的目光投向苍穹，那么他就不可能注意到地球以年为周期的运动，但依然会出现一种与此不可分割的观点。”人的目力都可以抵达那么遥远的地方，为什么人就不行呢？想象犹如天马行空。“如果地球是运动的，它就是一颗行星，而且照耀着月球和其他行星上的居民，就像月球和其他行星照耀着地球上的我们一样。”
我们可以照此推测……存在无限世界，以及在无限宇宙中的无限地球或星系……以此类推，因此，就会存在可以居住的无限世界：有何妨碍？这真是个难以解答的谜题。
这是一个特别难以解答的谜题，因为太多不同的权威提出了太多的假说：我们的现代神灵、那些不信奉上帝的哲学家、异教徒、宗教分裂论者、罗马教会。“后来的数学家们竭尽所能搅浑水，并……用他们精巧的头脑编造出世界的新体系。”21 伯顿认为，历史上很多种族的人都研究过天空的面貌，而此时正是上帝揭开天空的神秘面纱的时候。当然了，那是一段动荡不安的年代。