《自然哲学之数学原理》（简称《原理》）是牛顿一生中最重要的科学著作，成书于1687年。《原理》的初版初印于12月14日拍卖，最后拍出了3719500美元的天价，成为史上最贵的一本印刷科学著作。《原理》初版初印仅有400册，其中只有80本是“欧陆版”，专为欧洲大陆的卖家打造，跟英国本土的有细微差别。这次拍卖的书籍就是欧陆版之一。
为了庆祝剑桥大学图书馆600周年，图书馆展出了这本牛顿珍藏的初版《原理》，书中有牛顿的注解和修正。（图片来源：剑桥大学图书馆）
为什么这本书那么值钱呢？下面是它的故事。
我不知道世界会怎样看待我，但我认为自己不过像个在海滩上玩耍的男孩，不时地寻找到一些较光滑的卵石和漂亮的贝壳，并以此为乐，而关于摆在我面前的真理的汪洋大海，我还一无所知。
——牛顿
1687年，牛顿出版了他的旷世之作《原理》。它阐述了牛顿的万有引力和运动定律，以及详细推导了这些定律导致的后果。牛顿在书中并不只是描述一些很显而易见的内容，比如行星运动定律和摩擦，而是花费了大量复杂的细节，去解释地球如何在自转的时候被压扁，分点岁差，海洋的潮汐力，以及利用摄动理论去研究太阳-地球-月亮的三体问题等等。简而言之，牛顿解释了当时已知的一切运动形式和现象。我们可以认为这是理论物理学的开端。
《原理》是牛顿经过20年的思考、实验研究、大量的天文观测和无数次数学演算的结晶。他的大多数成就都发生在1665年，当时英国流行大鼠疫，剑桥的师生都被疏散，牛顿回到家乡Grantham。在这段时间内，牛顿度过了他一生中最富有创造力的阶段。
如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。牛顿的思想受到了哥白尼、伽利略、笛卡尔、培根、洛克和摩尔等人的影响。（图片来源：thequotes.in）
牛顿并不是当时唯一一个在思考引力的科学家。在伦敦，有三个非常聪明的人都在思考这个问题，他们是哈雷（Edmund Halley）、雷恩（Christopher Wren）和胡克（Robert Hooke）。
在1670年末，这三个人大约同时猜到引力的平方反比关系——引力随着距离的平方递减——与行星的椭圆轨道之间有必然联系，但他们都无法证明这一点。
在这更早的几十年前，开普勒就写下了他的三大定律来描述行星的运动。第一定律描述了所有的行星轨道都是椭圆的。第二和三定律告诉我们行星沿着椭圆轨道的运行速度。如果轨道是圆形的，那么开普勒第三定律就等同于引力的平方反比定律。
困难在于，要如何证明开普勒的第一定律，即证明引力的平方反比关系与行星椭圆轨道之间的对应关系。是否可以用一个简单的数学定律就描述这样关系？比如像胡克的弹性定律。
胡克没有留下任何的肖像画，这是艺术家对胡克的印象画。据说胡克丑陋、驼背。他是一名具有创造性的天才，有许多的贡献，包括弹性定律、发明“细胞”、改造望远镜等等。（图片来源：Wikipedia）
1684年，胡克、雷恩和哈雷聚集在咖啡馆热烈地讨论着为何行星如此运动？雷恩和哈雷都表示自己无法证明，但是胡克却对他的两位朋友说他已经计算出来了。哈雷非常开心的说道：“快让我们见识见识！” 但几个月过去，胡克并没能做到，他根本算不出来，也没有人能够做到。哈雷已经厌烦了胡克的各种借口，觉得他只是在吹牛。
哈雷的肖像，知名于计算出哈雷彗星的公转轨道和回归。（图片来源：Wikipedia）
但这也促使了哈雷决定前往剑桥，请教牛顿。哈雷跟牛顿说道：“我们都认为有某种来自太阳的神秘力量，控制着行星的运动，我们感觉一定有一条数学定律来描述力是如何随着距离改变的。” 牛顿说道：“我在几年前就已经计算出来了”。哈雷兴奋地说道“快让我见识下”。牛顿表示原先的手稿找不到了，他可以给哈雷再证明一遍。当哈雷离开，正在疑虑牛顿是否也像胡克那样吹牛时，信使带来了牛顿的一封信。
在《Feynman's Lost Lecture》一书中描述了费恩曼是如何重新证明行星的轨道必然是椭圆的。由于费恩曼丢失了这一节课的笔记，因此并没有被包括在《费恩曼物理学讲义》中。（图片来源：David Tong）
牛顿在这篇只有九页的《论轨道上物体的运动》中证明，引力的存在使得行星必定沿椭圆轨道运动，运动定律不仅适用于地球上，也适用于整个宇宙。这是现代科学理论的开篇。
哈雷迫不及待的回到剑桥，鼓励牛顿立即发表。可是牛顿表示他还需要再加一些东西。这一些东西花费了牛顿两年的时间，而结果就是三卷《自然哲学的数学原理》。
牛顿的《原理》。（图片来源：Transplanted Tatar）
还有个有意思的小故事。当牛顿完成《原理》后，哈雷向皇家学会申请应当立即出版此书。但是皇家学会已经把他们的预算都花在了一本叫《鱼类历史》的书籍上，并销售惨淡。最后还是哈雷自掏腰包，不仅如此，哈雷还帮助牛顿校正排版错误和制备几何插图。如果没有哈雷的鼓励和推动，我们不确定这本史上最伟大的科学著作是否还有机会出版。
不管怎样，牛顿无疑构建了一个人类有史以来最为宏伟的体系。正如爱因斯坦对他的评价：“至今还没有可能用一个同样无所不包的统一概念来代替牛顿对于宇宙的统一概念。要是没有牛顿的明晰的体系，我们到如今为止所取得的收获都会成为不可能。”
扩展阅读：
【1】《自然哲学之数学原理》，北京大学出版社
【2】国家地理频道纪录片：宇宙时空之旅，第三集《万有引力》
发表于 2017-7-9 02:43
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