牛頓紀念碑
「牛頓的貢獻不僅僅是在科學上，他還曾經(jīng)擔任過皇家造幣廠的督辦，幫助英國解決了銀幣危機。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)一等一的強勢貨幣把英鎊。牛頓大神既在科學理論的天空里劃下痕跡，又在世俗事務上游刃有余，這在科學界是不多見的。
得從新的角度來看看這位開創(chuàng)了物理學新時代的大師了，他的人生也許比你最大膽的想象還要精彩。 」
撰文 | 孫正凡
責編 | 李珊珊
1727年3月31日，牛頓去世。而在網(wǎng)絡上，你會看到牛頓的兩個死亡紀念日，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，26歲，擔任劍橋大學盧卡斯講席教授，44歲（1687年）出版《原理》。就在牛頓改變科學史的時候，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探索之后，雖然收獲了巨大的科學榮譽，但經(jīng)濟上卻收入微薄，就連出版《原理》一書的費用都是好友埃德蒙·哈雷變賣家產(chǎn)支付的。牛頓靜極思動，請倫敦的好友哲學家洛克、財政大臣查爾斯·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，并向他保證這個職位“無需花費太多時間，閑暇時光悉如尊意”，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。當時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。還有用錫摻進銀子里制造劣質假幣的。歷史學家麥考利勛爵在一份貨幣狀況的報告中寫道：在危機達到頂峰時，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)實的危機是，英王威廉三世正率領10萬軍隊，在歐洲大陸上與法國長期作戰(zhàn)爭奪領地，軍費需求巨大。英國銀幣的短缺，可能導致軍費斷絕。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。這一項超級巨大的工程，究竟應該如何完成，顯然是一項巨大的挑戰(zhàn)。牛頓恰在此時出現(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，該負責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，和與造幣相關的一切技術細節(jié)、成本核算。身為上流社會成員的他，竟然蹲在機器跟前，記錄每一個班次詳細的運轉情況，包括使用的銀幣熔毀重鑄的損耗，工人和馬匹的工作效率，工序之間的停頓時間。他還抄寫的從1059年到1691鑄幣的質量與數(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)了造幣廠運轉的規(guī)律，他向財政部提交了題為《造幣廠現(xiàn)狀》（The State of the Mint）的報告，立即開始他的改革。造幣機器原來的設計能力是每星期生產(chǎn)1.5萬英鎊，按照這種速度，完成制造700萬英鎊的目標工作需要將近九年的時間。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（用于壓制銀餅）和5臺新的沖床。通過這樣的添置設備，造幣廠的工人達到了近500人，馬50匹。牛頓以他研究宇宙的耐心與細致，制定了流水線上詳細的人馬分配，力求實現(xiàn)最高效率。他凌晨4點就到工廠工作，他發(fā)現(xiàn)，如果造幣機每分鐘撞擊50到55下，工人和機器就可以一口氣數(shù)小時地連續(xù)工作，他由此確定了整個造幣廠的運行指標，很快就讓產(chǎn)量提升到每周5萬英鎊，甚至能達到每周12萬英鎊。很快，1696年當年就完成鑄幣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點準時開工直至午夜。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684.719萬英鎊。英國的經(jīng)濟形勢由此得以好轉，牛頓也獲得他應有的回報：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)閣遞交了調查報告，結合了東印度、中國和日本的例子，詳細論證了白銀如何大勢已去，必須認識黃金的重要性，并對其進行國家統(tǒng)一定價。1717年，議會通過決議，將英國的黃金價格定為每盎司（純度0.9）3英鎊17先令10便士，從此英鎊面值與黃金掛鉤，建立了事實上的貨幣金本位制度。在造幣廠的運行走上正軌的時候，牛頓發(fā)現(xiàn)他又必須要處理另一個棘手的問題，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，能迅速學會新的手藝，交易謹慎，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，還因為舉報有功受到了財政部的獎勵。在與牛頓的交手當中，最初牛頓也曾經(jīng)把他逮捕入獄，但是因為證據(jù)不足，法庭竟然將他當場釋放。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，過一段時間之后，因為把錢財揮霍一空，再次重操舊業(yè)。牛頓作為造幣廠督辦，自古就兼領著另一個奇怪的職務，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)學教授，如今學會了在茶館里刺探情報、在市場上收買線人、在犯罪團伙里安插臥底，甚至在監(jiān)獄里刑訊逼供——別忘了要再過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，花費超過了他擔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器和小團體一網(wǎng)打盡。在法庭上，牛頓派出了一個又一個證人出庭，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。當查洛納在絞刑架上為選錯了對手而懊悔的時候，牛頓已經(jīng)在辦公室里燒毀有關密檔，慶祝他的勝利了。1727 年3月20日牛頓與世長辭。為了紀念牛頓的功勛，皇家造幣廠當年發(fā)行了一枚牛頓紀念章，幾百年后，造幣局還讓牛頓的形象登上了英鎊。這會是一件個幾乎能讓牛頓從棺材里跳出來抗議的差錯。英國為紀念牛頓而發(fā)行的兩份鈔幣上，竟然出現(xiàn)兩次同樣的科學錯誤！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的頭像和英格蘭銀行徽標，頭戴加冕時的帝國王冠。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代著作《自然哲學的數(shù)學原理》（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）和他設計的反射式望遠鏡。反面圖案的設計者是Harry Eccleston。
另一份是2017年發(fā)行的50便士硬幣，這是為了紀念牛頓這位科學家兼（鑄幣大師）誕辰375周年[2]。英國50便士（50p）硬幣，價值等于半英鎊（目前英國貨幣施行十進制），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。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售貨機中滾動。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。設計師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科學圖案是由兩部分組成的，一部分是設計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。有意思的是這兩個圖本身都沒有錯誤，但是當它們組合起來之后就放錯位置了。
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橢圓的共同焦點上”。中間是發(fā)光的太陽，三條交錯的軌道令人想起了傳統(tǒng)上代表科學的盧瑟福原子模型。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行，意味著它受到了指向橢圓一個焦點的向心力[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，太陽位于一個焦點上，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系。這實際上就是牛頓引力定律的一個應用。在圖上，S是橢圓的一個焦點（H是另一個焦點），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。兩張圖確實都沒有錯，但是當設計者把兩張圖疊加在一起的時候出了錯誤。他把太陽放在了橢圓的中心點C點上，實際上應該放在焦點S點上。也就是說，作者可能被我們平常說的“行星圍著太陽轉”這個說法給誤導了，錯誤地以為太陽就應該在《原理》這張圖上坐標系的中心?？墒牵査∏〔辉谶@個中心上。牛頓《原理》圖上點線意義：S點是橢圓焦點，即太陽位置；C點是橢圓對稱中心；P點是行星（動態(tài)）位置。
這個錯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)代科學幫我們建立的常識。也許這里凸顯的是兩種文化——科學文化和人文文化——之間的隔閡與沖突。可能現(xiàn)在的很多小學生，都知道地球這些行星在橢圓軌道上圍繞太陽運行，中學生就會了解什么叫橢圓的焦點。但是“地球圍著太陽轉”這樣的概念，非常容易給我們太陽位于中心的直覺印象。
當然這個錯誤也并非不可理解和原諒的。因為平時我們說太陽是太陽系的中心，這個說法并不是錯誤。對于太陽系的行星軌道來說，兩個焦點之間的距離是非常接近的。用數(shù)學名詞來說就是橢圓的橢率（扁平程度）很小，橢圓的形狀實際上很接近圓形。無論是牛頓《原理》圖上，還是兩位作者設計的行星軌道，實際上都對橢圓的扁平程度進行了夸張。不過對于一個科學問題來說，這個錯誤仍然是錯誤，應該及時改正。牛頓建立的科學體系讓我們對自然界的認識，首次達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)地球的自轉告訴我們地球是一個赤道方向略鼓兩極稍扁的橢球形——這跟笛卡爾的預測正好相反，經(jīng)過法國天文學家卡西尼家族三代人的測量，證明牛頓是對的?？茖W結論有許多是“反直覺”的，必須按照邏輯逐步理解，才能夠到達最終結論，膽大必須和嚴謹結合起來才能成功。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行了甄選，摒棄錯誤的信念，才能夠取得巨大的進步，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，和他獨創(chuàng)的數(shù)學原理，探索了行星的運行與形狀、彗星的軌道、海洋的潮汐、光線的折射，以及其他學者此前從未想象過的，由此產(chǎn)生的光的顏色性質。他用對自然、古代史和圣經(jīng)探索中的勤奮、睿智和忠實，他通過自己的哲學證明了尊貴上帝之大能與慈愛，并以他的方式表達了福音之簡樸。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上，令人類對宇宙規(guī)律的把握達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都給他弄錯了，一定會氣得從棺材里跳起來“老子最偉大的貢獻都被你們弄錯了！這屆造幣廠領導的素質不行??！”參考文獻
https://www.bankofengland.co.uk/banknotes/withdrawn-banknoteshttps://www.royalmint.com/discover/uk-coins/coin-design-and-specifications/fifty-pence-coin/[3]《原理》一書現(xiàn)有兩個中文版本，分別是：(英)牛頓 趙振江譯，《自然哲學的數(shù)學原理》，商務印書館，2006 (英)牛頓 王克迪 譯《自然哲學之數(shù)學原理》，北京大學出版社，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]威斯敏斯特教堂關于牛頓墓志銘的介紹 https://www.westminster-abbey.org/abbey-commemorations/commemorations/sir-isaac-newton
