牛頓紀(jì)念碑
「牛頓的貢獻(xiàn)不僅僅是在科學(xué)上，他還曾經(jīng)擔(dān)任過皇家造幣廠的督辦，幫助英國解決了銀幣危機(jī)。牛頓通過發(fā)明了貨幣的金本位，把英鎊打造成了世界范圍內(nèi)一等一的強(qiáng)勢貨幣把英鎊。牛頓大神既在科學(xué)理論的天空里劃下痕跡，又在世俗事務(wù)上游刃有余，這在科學(xué)界是不多見的。
得從新的角度來看看這位開創(chuàng)了物理學(xué)新時(shí)代的大師了，他的人生也許比你最大膽的想象還要精彩。 」
撰文 | 孫正凡
責(zé)編 | 李珊珊
1727年3月31日，牛頓去世。而在網(wǎng)絡(luò)上，你會看到牛頓的兩個(gè)死亡紀(jì)念日，3月25日和3月31日。它們都是對的，出現(xiàn)這種差異是依據(jù)的歷法不一樣，并不是錯(cuò)誤。基督教國家在1582年之前使用的是凱撒大帝制定的公歷，稱為儒略歷，但是這個(gè)歷法的誤差比較大，大約三百年會差一天。1582年梵蒂岡教皇格里高利十三世，從舊歷中刪去了10天，把10月4日后天變成了10月15日，同時(shí)也改了閏年的規(guī)則。這就是格里高利歷，即我們現(xiàn)在用的公歷。
但身為北方的新教國家的英國，本著“教皇同意我們就反對”的原則，一直到1752年，都一直在沿用著儒略歷。對于英國人來講，牛頓的生卒日期用儒略歷來表述更符合本國歷史記錄。但是對于國際交流來說，在3月31日紀(jì)念牛頓忌日是更通行的做法。
改革鑄幣廠穩(wěn)定了英國經(jīng)濟(jì)的牛頓
18歲那年（1661年），牛頓從林肯郡格蘭瑟姆鎮(zhèn)考入劍橋大學(xué)，26歲，擔(dān)任劍橋大學(xué)盧卡斯講席教授，44歲（1687年）出版《原理》。就在牛頓改變科學(xué)史的時(shí)候，英國歷史也發(fā)生了巨變。1688年英國發(fā)生“光榮革命”，資產(chǎn)階級和新貴族驅(qū)逐了信奉天主教的國王詹姆斯二世，從荷蘭迎回了他信奉新教的女婿威廉和女兒瑪麗加冕為英國“雙王”。牛頓在多年的清苦的科學(xué)探索之后，雖然收獲了巨大的科學(xué)榮譽(yù)，但經(jīng)濟(jì)上卻收入微薄，就連出版《原理》一書的費(fèi)用都是好友埃德蒙·哈雷變賣家產(chǎn)支付的。牛頓靜極思動(dòng)，請倫敦的好友哲學(xué)家洛克、財(cái)政大臣查爾斯·蒙塔古等人幫忙謀職。蒙塔古幫英國建立了英格蘭銀行（中央銀行），發(fā)行了英國第一張紙幣。1696年3月18，他致信牛頓，已經(jīng)征得國王同意，為他謀得了皇家造幣廠督辦（Warden）一職，并向他保證這個(gè)職位“無需花費(fèi)太多時(shí)間，閑暇時(shí)光悉如尊意”，總之錢多事少離家近。牛頓于是買了兩頭驢子，一頭自乘，一頭馱著簡單的行李，就告別了居住三十年的劍橋到倫敦去了。當(dāng)時(shí)英國主要的貨幣是銀幣，就是把拿一塊銀餅，壓上國王的頭像。這樣的銀幣有著天然的缺陷，非常容易磨損。還有人專門把銀幣的邊緣剪下來，制造了大量貶值銀幣。還有用錫摻進(jìn)銀子里制造劣質(zhì)假幣的。歷史學(xué)家麥考利勛爵在一份貨幣狀況的報(bào)告中寫道：在危機(jī)達(dá)到頂峰時(shí)，國庫收稅收到的每100英鎊中，好的先令不足10枚。隨著“劣幣驅(qū)逐良幣”，英國銀幣在國際貿(mào)易市場上越來越被排斥，許多國家拒絕接受用英國銀幣付款。更現(xiàn)實(shí)的危機(jī)是，英王威廉三世正率領(lǐng)10萬軍隊(duì)，在歐洲大陸上與法國長期作戰(zhàn)爭奪領(lǐng)地，軍費(fèi)需求巨大。英國銀幣的短缺，可能導(dǎo)致軍費(fèi)斷絕。英國政府為了穩(wěn)定市場，決定回收所有的銀幣，加工重鑄新幣。這一項(xiàng)超級巨大的工程，究竟應(yīng)該如何完成，顯然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。牛頓恰在此時(shí)出現(xiàn)在造幣廠。牛頓走馬上任之后，立即發(fā)現(xiàn)了造幣廠管理混亂的現(xiàn)狀，該負(fù)責(zé)任的廠長的貴族中飽私囊、尸位素餐。于是他決定親自處理造幣廠的一切事物。牛頓用他那顆人類歷史上最偉大的大腦，系統(tǒng)地研究了造幣廠兩百多年的歷史，和與造幣相關(guān)的一切技術(shù)細(xì)節(jié)、成本核算。身為上流社會成員的他，竟然蹲在機(jī)器跟前，記錄每一個(gè)班次詳細(xì)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，包括使用的銀幣熔毀重鑄的損耗，工人和馬匹的工作效率，工序之間的停頓時(shí)間。他還抄寫的從1059年到1691鑄幣的質(zhì)量與數(shù)量的記錄。一切事物他都親力親為，“不要輕易相信別人的計(jì)算，只能相信自己的雙眼”。在收集了五大口袋數(shù)千頁資料之后，牛頓把他研究數(shù)學(xué)和宇宙的天才，從紛繁蕪雜的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了造幣廠運(yùn)轉(zhuǎn)的規(guī)律，他向財(cái)政部提交了題為《造幣廠現(xiàn)狀》（The State of the Mint）的報(bào)告，立即開始他的改革。造幣機(jī)器原來的設(shè)計(jì)能力是每星期生產(chǎn)1.5萬英鎊，按照這種速度，完成制造700萬英鎊的目標(biāo)工作需要將近九年的時(shí)間。牛頓指揮工人新安裝了三臺熔爐，每天可以提供5噸的精煉液態(tài)銀。為了增加鑄幣能力，又添置了新8臺壓平機(jī)（用于壓制銀餅）和5臺新的沖床。通過這樣的添置設(shè)備，造幣廠的工人達(dá)到了近500人，馬50匹。牛頓以他研究宇宙的耐心與細(xì)致，制定了流水線上詳細(xì)的人馬分配，力求實(shí)現(xiàn)最高效率。他凌晨4點(diǎn)就到工廠工作，他發(fā)現(xiàn)，如果造幣機(jī)每分鐘撞擊50到55下，工人和機(jī)器就可以一口氣數(shù)小時(shí)地連續(xù)工作，他由此確定了整個(gè)造幣廠的運(yùn)行指標(biāo)，很快就讓產(chǎn)量提升到每周5萬英鎊，甚至能達(dá)到每周12萬英鎊。很快，1696年當(dāng)年就完成鑄幣250萬英鎊，穩(wěn)定了英國市場。在重鑄的高潮期，一周除了周日之外，造幣廠每日凌晨4點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)開工直至午夜。這樣，到1699年6月，皇家造幣廠在牛頓的指揮下，僅僅用了三年，就完成了全國銀幣的重鑄，總計(jì)684.719萬英鎊。英國的經(jīng)濟(jì)形勢由此得以好轉(zhuǎn)，牛頓也獲得他應(yīng)有的回報(bào)：在1699年圣誕節(jié)他57歲生日，名正言順地得到了廠長一職，并終身任職。1705年，牛頓被安妮女王封為爵士，從此躋身貴族之列。其后，為了解決銀幣外流的問題，牛頓向內(nèi)閣遞交了調(diào)查報(bào)告，結(jié)合了東印度、中國和日本的例子，詳細(xì)論證了白銀如何大勢已去，必須認(rèn)識黃金的重要性，并對其進(jìn)行國家統(tǒng)一定價(jià)。1717年，議會通過決議，將英國的黃金價(jià)格定為每盎司（純度0.9）3英鎊17先令10便士，從此英鎊面值與黃金掛鉤，建立了事實(shí)上的貨幣金本位制度。在造幣廠的運(yùn)行走上正軌的時(shí)候，牛頓發(fā)現(xiàn)他又必須要處理另一個(gè)棘手的問題，就是偽造硬幣的犯罪分子。這些人本來以剪切硬幣為生，但是牛頓鑄造的新幣讓這種方法不再可行，大多數(shù)人只能金盆洗手。但是有一個(gè)特別膽大狡猾的犯罪分子威廉·查洛納（William Chaloner），給牛頓制造了大量的麻煩。此人雖沒受過正規(guī)教育，但有一定的文化，能迅速學(xué)會新的手藝，交易謹(jǐn)慎，獲利甚豐，他聲稱層制造過3萬英鎊偽幣。此人聰明大膽，至少曾經(jīng)兩次逃脫死刑，有一次甚至把自己的罪行栽贓給同伙，還因?yàn)榕e報(bào)有功受到了財(cái)政部的獎(jiǎng)勵(lì)。在與牛頓的交手當(dāng)中，最初牛頓也曾經(jīng)把他逮捕入獄，但是因?yàn)樽C據(jù)不足，法庭竟然將他當(dāng)場釋放。牛頓的后來記述說，如果查洛納就此收手，說不定可以過上紳士一般的生活?？上Р槁寮{并沒有意識到自己已經(jīng)遇上了最可怕的對手，過一段時(shí)間之后，因?yàn)榘彦X財(cái)揮霍一空，再次重操舊業(yè)。牛頓作為造幣廠督辦，自古就兼領(lǐng)著另一個(gè)奇怪的職務(wù)，在倫敦及其周圍地區(qū)執(zhí)行國王法律的治安官。為了對付這頭最狡猾的狐貍，牛頓很快將自己變成一位稱職的經(jīng)偵隊(duì)長，跟蹤、抓捕并起訴了數(shù)十名偽幣制造者。曾經(jīng)的數(shù)學(xué)教授，如今學(xué)會了在茶館里刺探情報(bào)、在市場上收買線人、在犯罪團(tuán)伙里安插臥底，甚至在監(jiān)獄里刑訊逼供——?jiǎng)e忘了要再過160年，倫敦才會建立職業(yè)的警察廳蘇格蘭場。為了布局，牛頓自掏腰包，花費(fèi)超過了他擔(dān)任造幣廠督辦的年薪，建立了自己親自指揮的，由釋放的囚犯、買賣假幣的線人各色人等組成的偵緝網(wǎng)。再次出手的查洛納找到的假幣販子，其實(shí)是牛頓早已收買的線人。牛頓于是順藤摸瓜，查抄了查洛納老巢，把用于制造假幣的機(jī)器和小團(tuán)體一網(wǎng)打盡。在法庭上，牛頓派出了一個(gè)又一個(gè)證人出庭，證明了查洛納一樁又一樁的罪行罄竹難書，最終法庭判處絞刑。當(dāng)查洛納在絞刑架上為選錯(cuò)了對手而懊悔的時(shí)候，牛頓已經(jīng)在辦公室里燒毀有關(guān)密檔，慶祝他的勝利了。1727 年3月20日牛頓與世長辭。為了紀(jì)念牛頓的功勛，皇家造幣廠當(dāng)年發(fā)行了一枚牛頓紀(jì)念章，幾百年后，造幣局還讓牛頓的形象登上了英鎊。這會是一件個(gè)幾乎能讓牛頓從棺材里跳出來抗議的差錯(cuò)。英國為紀(jì)念牛頓而發(fā)行的兩份鈔幣上，竟然出現(xiàn)兩次同樣的科學(xué)錯(cuò)誤！第一份是1978年發(fā)行的1英鎊紙幣（已經(jīng)于1988年退出流通）[1]。鈔票正面是伊麗莎白二世女王年輕時(shí)的頭像和英格蘭銀行徽標(biāo)，頭戴加冕時(shí)的帝國王冠。正面左下角是行長(總出納Chief Cashier)的簽名鈔票。反面是太陽系模型和牛頓半身坐像，右下角是牛頓的名字和生卒年份（1642—1727）。牛頓膝上放著他的劃時(shí)代著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（以下簡稱《原理》），雙手打開此書表明正在閱讀，身旁桌案上放著一塊三棱鏡（由此他提出了光的色散理論）和他設(shè)計(jì)的反射式望遠(yuǎn)鏡。反面圖案的設(shè)計(jì)者是Harry Eccleston。
另一份是2017年發(fā)行的50便士硬幣，這是為了紀(jì)念牛頓這位科學(xué)家兼（鑄幣大師）誕辰375周年[2]。英國50便士（50p）硬幣，價(jià)值等于半英鎊（目前英國貨幣施行十進(jìn)制），成分是0.925銀。它形狀是等寬七邊形（即Reuleaux多邊形），這種形狀是一種等寬曲線，可以在矩形內(nèi)滾動(dòng)。這種形狀具有革命性意義，既可以輕易通過手感識別，恒定的寬度又使其可以在自動(dòng)售貨機(jī)中滾動(dòng)。50便士硬幣正面是女王伊麗莎白二世老年頭像，戴著皇家鉆石王冠。藝術(shù)家的名字縮寫JC（代表喬迪·克拉克）位于頭下方的小寫字母中。背面是太陽系模型圖（顯然是取自一英鎊紙幣圖案的一部分），上方刻有牛頓名字。還有面額FIFTY PENCE。設(shè)計(jì)師Aaron West的姓名縮寫AW在右下角。這兩份鈔幣上的太陽系模型這個(gè)科學(xué)圖案是由兩部分組成的，一部分是設(shè)計(jì)者繪制的太陽系行星軌道的彩繪圖（太陽和三條行星軌道），另一部分是來自牛頓的《原理》第一卷命題11的原理圖。有意思的是這兩個(gè)圖本身都沒有錯(cuò)誤，但是當(dāng)它們組合起來之后就放錯(cuò)位置了。
官方說明指出，鈔幣圖案作者繪制彩圖的意圖是“太陽位于代表不同行星軌道的三個(gè)橢圓的共同焦點(diǎn)上”。中間是發(fā)光的太陽，三條交錯(cuò)的軌道令人想起了傳統(tǒng)上代表科學(xué)的盧瑟福原子模型。盧瑟福的“行星原子模型”正是受牛頓行星軌道的啟發(fā)創(chuàng)造出來的。
被彩圖覆蓋的，是牛頓《原理》命題11原理圖的簡化版（去掉了若干線條），它的原版如下圖。命題11指出，如果物體保持在橢圓形路徑上運(yùn)行，意味著它受到了指向橢圓一個(gè)焦點(diǎn)的向心力[3]。（If a body revolves in an ellipsis; it is required to find the law of the centripetal force tending to the focus of the ellipsis.）這里的物體的就是行星，太陽位于一個(gè)焦點(diǎn)上，向心力即二者之間的引力。牛頓在此命題證明，向心力與行星河太陽之間的距離平方成反比關(guān)系。這實(shí)際上就是牛頓引力定律的一個(gè)應(yīng)用。在圖上，S是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)（H是另一個(gè)焦點(diǎn)），C是橢圓中心，P是行星在橢圓上的任意位置。說到這里，你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了。兩張圖確實(shí)都沒有錯(cuò)，但是當(dāng)設(shè)計(jì)者把兩張圖疊加在一起的時(shí)候出了錯(cuò)誤。他把太陽放在了橢圓的中心點(diǎn)C點(diǎn)上，實(shí)際上應(yīng)該放在焦點(diǎn)S點(diǎn)上。也就是說，作者可能被我們平常說的“行星圍著太陽轉(zhuǎn)”這個(gè)說法給誤導(dǎo)了，錯(cuò)誤地以為太陽就應(yīng)該在《原理》這張圖上坐標(biāo)系的中心。可是，太陽它恰恰不在這個(gè)中心上。牛頓《原理》圖上點(diǎn)線意義：S點(diǎn)是橢圓焦點(diǎn)，即太陽位置；C點(diǎn)是橢圓對稱中心；P點(diǎn)是行星（動(dòng)態(tài)）位置。
這個(gè)錯(cuò)誤也是很容易被忽視的——把太陽放在中心，非常符合我們的直覺，但是并不符合現(xiàn)代科學(xué)幫我們建立的常識。也許這里凸顯的是兩種文化——科學(xué)文化和人文文化——之間的隔閡與沖突?？赡墁F(xiàn)在的很多小學(xué)生，都知道地球這些行星在橢圓軌道上圍繞太陽運(yùn)行，中學(xué)生就會了解什么叫橢圓的焦點(diǎn)。但是“地球圍著太陽轉(zhuǎn)”這樣的概念，非常容易給我們太陽位于中心的直覺印象。
當(dāng)然這個(gè)錯(cuò)誤也并非不可理解和原諒的。因?yàn)槠綍r(shí)我們說太陽是太陽系的中心，這個(gè)說法并不是錯(cuò)誤。對于太陽系的行星軌道來說，兩個(gè)焦點(diǎn)之間的距離是非常接近的。用數(shù)學(xué)名詞來說就是橢圓的橢率（扁平程度）很小，橢圓的形狀實(shí)際上很接近圓形。無論是牛頓《原理》圖上，還是兩位作者設(shè)計(jì)的行星軌道，實(shí)際上都對橢圓的扁平程度進(jìn)行了夸張。不過對于一個(gè)科學(xué)問題來說，這個(gè)錯(cuò)誤仍然是錯(cuò)誤，應(yīng)該及時(shí)改正。牛頓建立的科學(xué)體系讓我們對自然界的認(rèn)識，首次達(dá)到了非常精密的程度。牛頓不僅解釋了月亮、行星、彗星的軌道，解釋了地球潮汐的原理，還根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)告訴我們地球是一個(gè)赤道方向略鼓兩極稍扁的橢球形——這跟笛卡爾的預(yù)測正好相反，經(jīng)過法國天文學(xué)家卡西尼家族三代人的測量，證明牛頓是對的?？茖W(xué)結(jié)論有許多是“反直覺”的，必須按照邏輯逐步理解，才能夠到達(dá)最終結(jié)論，膽大必須和嚴(yán)謹(jǐn)結(jié)合起來才能成功。牛頓的成功正是源于他對日?，F(xiàn)象背后秘密的艱苦探索。他在前人工作的基礎(chǔ)之上工作，又不盲目崇拜古人，對數(shù)千年積累下來的知識進(jìn)行了甄選，摒棄錯(cuò)誤的信念，才能夠取得巨大的進(jìn)步，建立了以自己命名的世界體系，并深刻影響了人類的歷史和文化。在倫敦威斯敏斯特大教堂牛頓的墓志銘上[4]。墓志銘上寫著：伊薩克·牛頓爵士，安葬在這里。他以超乎常人的智力，和他獨(dú)創(chuàng)的數(shù)學(xué)原理，探索了行星的運(yùn)行與形狀、彗星的軌道、海洋的潮汐、光線的折射，以及其他學(xué)者此前從未想象過的，由此產(chǎn)生的光的顏色性質(zhì)。他用對自然、古代史和圣經(jīng)探索中的勤奮、睿智和忠實(shí)，他通過自己的哲學(xué)證明了尊貴上帝之大能與慈愛，并以他的方式表達(dá)了福音之簡樸。對于如此之偉大的人類之光，凡人都為之歡呼！他生于1642年12月25日，去世于1727年3月20日。牛頓的引力定律，完美地解釋了太陽為什么不在橢圓軌道的中心而是在焦點(diǎn)上，令人類對宇宙規(guī)律的把握達(dá)到了前所未有的高度。我們可以想象，假如牛頓看到了英國人現(xiàn)在手里的鈔票和硬幣發(fā)現(xiàn)，后人居然把如此偉大的貢獻(xiàn)都給他弄錯(cuò)了，一定會氣得從棺材里跳起來“老子最偉大的貢獻(xiàn)都被你們弄錯(cuò)了！這屆造幣廠領(lǐng)導(dǎo)的素質(zhì)不行啊！”參考文獻(xiàn)
https://www.bankofengland.co.uk/banknotes/withdrawn-banknotes[2]皇家造幣廠關(guān)于50便士牛頓紀(jì)念幣的說明https://www.royalmint.com/discover/uk-coins/coin-design-and-specifications/fifty-pence-coin/[3]《原理》一書現(xiàn)有兩個(gè)中文版本，分別是：(英)牛頓 趙振江譯，《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，商務(wù)印書館，2006 (英)牛頓 王克迪 譯《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，北京大學(xué)出版社，2006或參見維基百科https://en.wikisource.org/wiki/The_Mathematical_Principles_of_Natural_Philosophy_(1846)/BookI-III
The Mathematical Principles of Natural Philosophy (1846) by Isaac Newton, translated by Andrew Motte[4]威斯敏斯特教堂關(guān)于牛頓墓志銘的介紹 https://www.westminster-abbey.org/abbey-commemorations/commemorations/sir-isaac-newton
