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牛頓和那段避疫時光

2020/03/29
導(dǎo)讀
疾病的陰影逼迫人們考慮來世和變革

圖源:pixbay.com


鼠疫橫行歐羅巴

20世紀(jì)最偉大的數(shù)學(xué)成就被認(rèn)為是“費爾馬大定理”的證明,任何一個知道畢達(dá)哥達(dá)斯定理的人都能理解這個定理的含義。

簡而言之,如同費爾馬本人所表述的,“不可能將一個高于二次的冪寫成兩個同次冪的數(shù)之和?!?/span>

費爾馬如今被譽為“業(yè)余數(shù)學(xué)家之王”,1601年,他出生在法國南方,在方濟(jì)各會修道院學(xué)習(xí)以后,擔(dān)任圖盧茲議會上訪接待室的法律顧問一職。

郵票上的費爾馬和他的大定理

雖說費爾馬把大量的業(yè)余時間用于數(shù)學(xué)研究,他的仕途仍十分順利,很快成為當(dāng)?shù)赜蓄^有臉的人物,甚至有資格以德(de)作為姓氏的一部分。

可是,這并非他的雄心所致,而是當(dāng)時蔓延歐洲的腺鼠疫幫了忙,幸存者被提升去填補(bǔ)死亡者的空缺。

這場鼠疫也被稱為黑死?。˙lack Death)。大約開始于1346年,其發(fā)源地眾說不一。有人認(rèn)為起源于美索不達(dá)米亞,因十字軍東征傳播到其他地區(qū);也有人認(rèn)為起源于南俄羅斯或中亞,先是向西經(jīng)由亞美尼亞到小亞細(xì)亞、埃及和北非,同時由一條遠(yuǎn)航黑海之濱克里米亞的熱那亞商船攜帶到亞平寧半島和西歐,并多次騷擾英國。稍后,它又向東傳至中國,據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)記載,中國的死亡人數(shù)多達(dá)1300多萬,包括因為社會動蕩造成河堤失修和洪水泛濫淹沒的鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口。但只是歐洲死亡人數(shù)的二分之一,而當(dāng)時歐洲的總?cè)丝诓乓粌|,其中意大利和英國的人口減少了一半(牛津大學(xué)失去了三分之二的學(xué)生)。

黑死病

這場災(zāi)難的傳播速度非常緩慢并時有反復(fù),前后持續(xù)了三個多世紀(jì),這與當(dāng)時的醫(yī)學(xué)水平、交通媒介和各民族之間的相互疏遠(yuǎn)不無關(guān)系。

鼠疫爆發(fā)的時候,著名的阿拉伯旅行家伊本·巴塔圖已經(jīng)在中國,當(dāng)他返回到大馬士革時才初次遇上。

伊本·巴塔圖

假如我們注意到以下事實,那么這一滯緩就更容易理解了。

16世紀(jì)初,由于美洲貴金屬的發(fā)現(xiàn),引起了歐洲曠日持久的物價上漲,將近半個世紀(jì)以后,才波及到利沃夫——基輔以西五百多公里處的烏克蘭城市。即使到了19世紀(jì)中葉,非歐幾何學(xué)的創(chuàng)始人之一、俄國數(shù)學(xué)家羅巴切夫斯基在其伏爾加河畔的故鄉(xiāng)喀山發(fā)表了劃時代的工作以后,由于信息不流通和語言的障礙,十多年以后,這項研究成果才被西歐的同行知曉,并差點被年輕他九歲的維也納工程兵中尉鮑耶搶去頭功。

1652年,鼠疫再度在法國南方徘徊,這一回甚至一向深居簡出的費爾馬也染上了,他病得如此厲害,以至于一位朋友迫不及待地向自己的同事宣告了他的死亡。

但沒過幾天,這位朋友又在給一個荷蘭人的信中糾正道:
 
前些時候我曾通知您費爾馬的逝世。他仍然活著,我們不再擔(dān)心他的健康,盡管不久以前我們已將他列入死亡名單之中……

信中沒有出現(xiàn)任何道歉的字眼,顯而易見,類似的差錯在當(dāng)時已經(jīng)司空見慣。

費爾馬后來又活了13年,直到64歲時,他到鄰近省份的一個小鎮(zhèn)執(zhí)行公務(wù),不幸染上另一種疾病去世。

可以這樣推測,由于仕途的順利不必為生計擔(dān)憂,以及對社交生活的適時回避,使得費爾馬安心地從事業(yè)余的數(shù)學(xué)研究,并最終成為17世紀(jì)法國最有成就的數(shù)學(xué)家。

黑死病改寫歷史

鼠疫(Plague)和天花堪稱對人類危害最大的兩種傳染病,有趣的是,它與歐洲最美麗的城市——捷克首都布拉格(Prague)僅相差一個卷舌的輔音字母。

鼠疫主要通過嚙齒類動物(特別是野鼠和家鼠)和它們身上的蚤類傳播,它本是一種地方性獸疫,但當(dāng)病獸大批死亡,蚤類另覓宿主,人被叮咬后即可感染。起初,鼠疫只是散發(fā),時機(jī)成熟以后就會造成大規(guī)模的流行。鼠疫主要分為腺鼠疫和肺鼠疫兩大類,前者病例較多,也相對溫和,費爾馬感染上的即屬此類;后者發(fā)病很急,傳染性極強(qiáng),臨床表現(xiàn)為支氣管肺炎、肺水腫、虛脫或腦損傷。

當(dāng)席卷歐洲大陸的那場鼠疫于1664年通過英吉利海峽上的輪渡再次抵達(dá)英倫時,腺鼠疫轉(zhuǎn)變成了肺鼠疫,危害也達(dá)到了頂峰。


所幸的是,它被大西洋所阻隔,沒有抵達(dá)美洲。當(dāng)時的歐洲城鎮(zhèn)受害大于農(nóng)村,修道院受害又大于居民區(qū)。

不過,由于鼠蚤出沒無常,即便有權(quán)有勢的人也難以幸免。

在西班牙,阿拉貢王后和卡斯蒂利亞國王死于鼠疫。在英國,公主在出嫁西班牙途中死于波爾多,坎特伯雷相繼失去了兩位大主教。在法國,阿維尼翁(當(dāng)時教皇和教廷所在地)的法庭成員減少了四分之一。

當(dāng)鼠疫抵達(dá)歐洲的第一個落腳點——意大利,人文主義者兼詩人彼特拉克不僅失去了庇護(hù)人,也失去了他深愛著的繆斯——勞拉。

彼特拉克的勞拉

但這是一場純粹的單相思,至今無人能考證出勞拉的確切身份,猶如達(dá)·芬奇的蒙娜·麗莎之謎。

彼特拉克和勞拉

彼特拉克本人后來把自己的抒情詩分成兩卷,即《勞拉在世時所作》和《勞拉死后所作》,那是從心靈里吐露出來的既明晰又意在言外的愛和憂傷,是幾個世紀(jì)以來錘煉得最完美也最有生命力的文學(xué)作品。

對歐洲來說,這場鼠疫的后果既是多方面的,又讓人意想不到。

首先,它使得戰(zhàn)爭停止,貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)衰退,但那只是暫時現(xiàn)象。

更久遠(yuǎn)的影響是由于大量農(nóng)民死去而讓耕地荒蕪,勞力的短缺迫使地主通過提高工資等手段挽留佃農(nóng),這給長期以來僵硬不化的各社會階層之間的關(guān)系帶來一種新的流動性。

自那以后,歐洲各國的農(nóng)民起義便層出不窮,這使得共產(chǎn)主義思想的萌芽有了適宜的土壤,同時也為17世紀(jì)的啟蒙運動開啟了方便之門。

其次,黑死病的陰影逼迫阿爾卑斯山以北的人們更多地去考慮死亡和來世。

這除了充分反映在文學(xué)、繪畫作品中以外,還促使人們轉(zhuǎn)向?qū)ι婧夂蜕衩刂髁x的探索,天主教教會也逐漸失去了它在(意大利以外)拯救人的心靈方面的權(quán)威。

這在某種程度上為16世紀(jì)馬丁·路德的宗教改革創(chuàng)造了良機(jī),他的理論核心是人的得救只能依靠自己的信仰,他并身體力行地反對牧師不得結(jié)婚的教規(guī)。

可是,這場鼠疫在歷史上既非第一次,也不是范圍最廣的一次。

1894年,鼠疫突然在中國廣州爆發(fā),在隨后的20年間傳遍亞、歐、美、非等60多個國家,死亡達(dá)一千萬人以上。在中國當(dāng)時受波及的主要為南方各省和香港,僅云南省就有10萬多人死亡。此次鼠疫流行傳播速度之快、波及地區(qū)之廣,創(chuàng)造了歷史之最。這次流行的特點是疫區(qū)多分布在沿海城市,家養(yǎng)動物也在其中。

因為當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)了鼠疫的病原體——鼠疫桿菌,初步弄清了鼠疫的傳染源和傳播途徑,并加強(qiáng)了國際間的合作和檢疫隔離措施,使人類與鼠疫的斗爭進(jìn)入了科學(xué)階段,最終比較快地結(jié)束了流行。

亞歷山大·耶爾森醫(yī)生

鼠疫桿菌的學(xué)名叫耶爾森氏菌,耶爾森(1863-1943)是瑞士出生的法國細(xì)菌學(xué)家,早年就學(xué)于洛桑大學(xué)和巴黎大學(xué)等名校,后受聘于巴黎的巴斯德研究所。

1890年,耶爾森到印度支那開始了四年的探險生涯,恰好遇上鼠疫大爆發(fā),隨即來到香港,不久即與日本醫(yī)師、細(xì)菌學(xué)家北里柴三郎(1852-1931)幾乎同時發(fā)現(xiàn)了鼠疫桿菌。

次年,他又制成了治療鼠疫的血清。之后,耶爾森返回了越南,把自己的余生獻(xiàn)給了越南這個落后的東方國家,據(jù)說是他首先把橡膠樹引入印度支那,使天然橡膠成為今天越南的支柱工業(yè)。

耶爾森在河內(nèi)創(chuàng)辦了一座醫(yī)學(xué)院,在中部慶和省的首府芽莊創(chuàng)辦了專攻細(xì)菌學(xué)和微生物學(xué)的巴斯德研究所并自任所長,直到在那里去世。

躲避瘟疫的時光

現(xiàn)在,讓我們回過頭來談?wù)動惸菆隹涨敖^后的災(zāi)難。

據(jù)記載,1665年夏天的兩個月間,僅倫敦死于鼠疫的人數(shù)就達(dá)到了五萬,即使是鄉(xiāng)村,有些地方活著的人都來不及埋葬死者。

半個世紀(jì)以后,當(dāng)法國的馬賽再次流行鼠疫,《魯濱遜漂流記》(1719)的作者、英國作家丹尼爾·笛福為了滿足國民的好奇心,寫出了《瘟疫年紀(jì)事》(1722),對當(dāng)年倫敦那場鼠疫的發(fā)生、傳播,它引起的恐怖和惶惶的內(nèi)心,以及死亡的景象寫得猶如身臨其境。

英國作家笛福

這部小說成為文學(xué)史上有關(guān)疾病的經(jīng)典之作,可是,笛福本人出生在1660年,鼠疫盛行時他還只是一個幼童,書中有不少素材取自于前人的記憶,這里我想從當(dāng)時一位記者的日記里摘錄一個真實的片段,

“一對母女從外面回到家,女兒說頭有點痛,母親趕緊安頓女兒躺下。她提著油燈看了看女兒的身體,不幸的是她看到了黑死病的標(biāo)志——腫大的腹股溝淋巴結(jié)。母親瘋了似地奔向大街,兩個小時后女兒死在床上,一個星期后母親也死去?!?/span>

幸運的是,幾個月后的一場大火(史稱“倫敦大火災(zāi)”)燒毀了倫敦的大部分建筑,老鼠和跳蚤也銷聲匿跡,鼠疫流行隨之平息。

這場大火無疑是一個奇跡,另一個奇跡降臨在1642年(伽利略去世)的圣誕節(jié),在英格蘭偏僻的小村莊誕生了一個男孩,他的名字叫艾薩克·牛頓。

艾薩克·牛頓

在他出生前兩個月他的父親就去世了,母親管理著丈夫留下來的農(nóng)莊。兩年以后,母親改嫁到了鄰村,小牛頓被交給祖母撫養(yǎng)。

后來,他在低水平的鄉(xiāng)村學(xué)校里接受教育,除了對機(jī)械設(shè)計略有興趣以外,沒有顯露出任何特殊的才華。

可是,牛頓還是勉強(qiáng)考取了劍橋大學(xué)三一學(xué)院,盡管他的歐幾里德幾何答卷有明顯的缺陷。

劍橋三一學(xué)院正門(作者攝)

他在大學(xué)里繼續(xù)默默無聞地學(xué)習(xí),很少受到老師們的鼓勵,有一次,他幾乎要改變方向,從自然科學(xué)轉(zhuǎn)向法律。幸好沒有,他得到了繼續(xù)深造的機(jī)會。
本來,牛頓可能和其他按部就班的研究生一樣,在教授的指點下順序漸進(jìn)??墒且驗閭惗亓餍械哪菆隹膳碌氖笠撸瑒虼髮W(xué)放假了,并且一放就是兩年。

23歲的牛頓回到了自己的村莊伍爾斯托帕,那是在劍橋郡北面的林肯郡。牛頓在故鄉(xiāng)安靜地度過了1665年(費爾馬去世)和1666年,這使他有足夠的時間進(jìn)行獨立思考。

牛頓開始了數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)上的一系列偉大發(fā)現(xiàn),他獲得了解決微積分問題的一般方法,觀察到太陽光的光譜分解,并提出了力學(xué)上的重要定律。

假如法國哲學(xué)家伏爾泰的描述正確的話,牛頓是在自己農(nóng)莊的果園里,看見一只蘋果墜落時領(lǐng)悟并發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。

多年以后,牛頓故鄉(xiāng)的一棵蘋果樹被移植到劍橋三一學(xué)院的門外,供游人瞻仰。

在牛頓的同母異父妹妹的后裔保存下來的一份牛頓手稿里,有這樣一段描述,

“……這一切都是在1665與1666兩個瘟疫年份發(fā)生的事,在那些日子里,我正處于創(chuàng)造的旺盛時期,我對于數(shù)學(xué)和哲學(xué),比以后任何年代都更為用心?!?/span>

兩年以后,牛頓回到劍橋,順利取得了碩士學(xué)位(那時碩士和博士的含義基本上是一致的,只是不同國家的不同名稱而已),并被選為三一學(xué)院的研究員(又譯院士)。

三一學(xué)院禮拜堂內(nèi)的牛頓雕塑(作者攝)

兩年以后,他的導(dǎo)師巴羅主動讓賢,年僅27歲的牛頓擔(dān)任了著名的盧卡斯講座教授。

牛頓的老師巴羅(作者攝)


非典型的成功

當(dāng)牛頓于1664年4月離開劍橋返回故鄉(xiāng)躲避鼠疫時,沒有人意識到,他剛剛完成的大學(xué)生活是高等教育史上最有成效的學(xué)習(xí)過程。

這首先歸功于新哲學(xué)的影響力,牛頓進(jìn)入劍橋時,一場被稱為科學(xué)革命的運動已經(jīng)在歐洲進(jìn)行得如火如荼。

開普勒把哥白尼提出的宇宙太陽中心說加以完善,伽利略提出了自由落體運動和慣性定律,而笛卡爾已開始為自然界提供新的概念,他的哲學(xué)思想的核心就是:懷疑一切,“我思,故我在”。

可是,當(dāng)時包括劍橋在內(nèi)的大學(xué)教授們對這些進(jìn)步都視熟無睹,他們?nèi)匀还淌貋喞锸慷嗟碌念B固堡壘,主張宇宙的地球中心說,同時只是定性而不是定量地研究自然界。

也就是說,那個年代的大學(xué)尚未成為科學(xué)、哲學(xué)研究的中心和前沿。

其實,在接受高等教育之初,牛頓和成千上萬的大學(xué)生一樣,也沉迷于亞里士多德的學(xué)說。

可是不久,他從社會傳聞而不是從課堂上了解到了笛卡爾的新哲學(xué),開始相信物理世界是由運動著的物質(zhì)粒子所組成的。

即使在革命性較弱的數(shù)學(xué)領(lǐng)域,牛頓從學(xué)習(xí)笛卡爾的解析幾何入門,掌握了用代數(shù)方法解決幾何問題的方法,然后又轉(zhuǎn)回去學(xué)習(xí)經(jīng)典幾何學(xué)。

如所周知,為了避免伽利略所受的那種牢獄之苦,笛卡爾的《幾何學(xué)》是作為他的哲學(xué)著作《方法論》的附錄三出現(xiàn)的,因而不在正統(tǒng)的教課書之列。

牛頓從中獲得啟示,得到了二項式定理,再借助費爾馬的畫切線方法,發(fā)明了微積分,可以用來求曲線的斜率和曲線下的面積。

牛頓拋物線

簡而言之,牛頓的特殊教育和養(yǎng)料是經(jīng)由大學(xué)時代的閱讀閑書和道聽途說(可否稱之為另類選課?)獲得的,這促使他此后在鄉(xiāng)村度過的兩年時光里才情勃發(fā)。

回顧科學(xué)史上那些赫赫有名的人物,相當(dāng)一部分都是接受了非常規(guī)或非典型的教育和思想,并且在相對缺少約束和壓力的情況下成就了自己的事業(yè)。

以愛因斯坦為例,他早年對嚴(yán)厲而又學(xué)究式的德國教育感到厭煩和恐懼,幸好他是個有才藝的小提琴手,這有效地保留了他的激情和自信。

愛因斯坦

15歲那年,由于在歷史、地理和語言課程成績太差,愛因斯坦沒有取得文憑就離開了慕尼黑的預(yù)科學(xué)校,主動放棄了德國國籍。

后來,他來到蘇黎世的瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)求學(xué),成績并不十分突出,畢業(yè)后在伯爾尼專利局做了一名專利員,利用業(yè)余時間完成了一生最主要的工作——狹義相對論,包括現(xiàn)在人們熟知的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式。

這是自牛頓以來最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn),而愛因斯坦工作的推動力來自于數(shù)學(xué)家新建立的四維時空結(jié)構(gòu)。

需要指出的是,最早意識到亞里士多德的三段論法工具,或曰工具論已經(jīng)過時,不能滿足科學(xué)發(fā)展需要的哲學(xué)家并非笛卡爾,而是牛頓的英國前輩弗蘭西斯·培根。

培根是掌璽大臣的兒子,就讀的恰好也是劍橋的三一學(xué)院。

只不過他在校期間因為體質(zhì)孱弱,常有疾患之苦,繼而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

雖然如此,培根仍是劍橋人的驕傲,在三一學(xué)院著名的禮拜堂內(nèi),牛頓的塑像立在最中心的位置,在他前面的五位院友中,就有正在打瞌睡的培根。

在牛頓面前打盹的培根(作者攝)

培根畢業(yè)以后,很快建立起法學(xué)家和政治家的聲譽,后來卻不幸被政敵控告受賄,囚禁于倫敦塔。釋放以后,培根被迫退出政治舞臺,從而過上隱居寫作的生活,并成為享譽世界的散文大家。

與此同時,培根也建立起了他的科學(xué)理論和方法,其核心是歸納法推理。

他認(rèn)為,之前所有有關(guān)自然的信念體系缺乏嚴(yán)格的證明,原因在于對從中作出推論的一般命題處理不當(dāng)。它們或者是只憑一兩件事情便匆匆作出判斷,或者是依據(jù)眾所周知和普遍認(rèn)可而不加鑒別地被認(rèn)為是不證自明的。

遺憾的是,這種新工具并沒有被數(shù)學(xué)家們賞識,因為歸納法畢竟只是其中的一種方法,他忽略了包括演繹法在內(nèi)的其他工具。

培根也不關(guān)心當(dāng)時最重要的自然科學(xué)進(jìn)展,如開普勒的行星三大運動定律和哈維的血液循環(huán)理論,雖然他本人是這位醫(yī)生的一個病人。

不過到了19世紀(jì),隨著達(dá)爾文的出現(xiàn)和生物學(xué)的進(jìn)展,培根的方法和思想終于有了用武之地。

出于幼年時代產(chǎn)生的一種害怕批評的心理(他一直憎恨他的繼父),牛頓并沒有急于公布他的偉大發(fā)現(xiàn),尤其是在他發(fā)表了一篇光學(xué)論文之后,立即遭到同行權(quán)威的責(zé)難和圍剿,這讓他大吃一驚,此后很長一段時間沒有公開發(fā)表論文。

牛頓在萬有引力定律及其應(yīng)用方面的工作是在天文學(xué)家哈雷的勸告和催促下發(fā)表的,而包含微積分學(xué)理論在內(nèi)的數(shù)學(xué)名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(1687)則是在哈雷的協(xié)助編輯和資助下出版的。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

這里必須提及的是,1684年,身為牛津大學(xué)教授的哈雷主動來到劍橋,向年輕的牛頓請教行星運動的力學(xué)解釋,兩人由此建立起了深厚的友誼。
1701年,牛頓遷居倫敦,此前他已經(jīng)基本上放棄了學(xué)術(shù)生涯,擔(dān)任不列顛造幣廠廠長(后又擔(dān)任局長)。

英鎊上的牛頓

以后的27年間,他沒有做科學(xué)研究,把時間奉獻(xiàn)給了神學(xué)研究,在《圣經(jīng)》和編年史方面取得一定的成就,而為了回應(yīng)他的力學(xué)對傳統(tǒng)神學(xué)世界觀的沖擊產(chǎn)生的自然神論則影響甚廣。

與此同時,牛頓認(rèn)認(rèn)真真地做好本職工作。據(jù)說,他非常注意防止偽幣,成為偽幣制造者的死對頭,有一些人因此上了斷頭臺。

按照女王伊麗莎白一世對三一學(xué)院院士的要求,牛頓終生未婚。

事實上,他與女性接觸很少,除了母親,而母親當(dāng)年幾乎遺棄了他,因此母子關(guān)系也不融洽。當(dāng)牛頓去世時,身邊只有與他同住的一個外甥女和她的丈夫。

法國郵票上的牛頓

或許,我們可以這樣認(rèn)為,作為有史以來最偉大、最有影響力的科學(xué)家,牛頓一生的主要工作在他學(xué)生時代躲避鼠疫的那兩年時間里就已經(jīng)基本完成了。

2003年5月,初稿于杭州。
2008年8月,修改于劍橋。


作者:蔡天新,山東大學(xué)理學(xué)博士,浙江大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院教授,有各類文學(xué)和學(xué)術(shù)著作30多種,外版著作近20種。1995年創(chuàng)辦民刊《阿波利奈爾》(共出13期),近作有詩集《日內(nèi)瓦湖》、 隨筆集《數(shù)學(xué)傳奇》、游記《26城記》、批評集《輕輕掐了她幾下》,主編《現(xiàn)代詩110首》(三卷)《冥想之詩》《漫游之詩》。
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