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牛顿的造币厂往事:发明金本位 吊死制假者

http://www.shouxi.com 2020-09-29 10:22 首席收藏网

牛顿的贡献不仅仅是在科学上,他还曾经担任过皇家造币厂的督办,帮助英国解决了银币危机。牛顿通过发明了货币的金本位,把英镑打造成了世界范围内一等一的强势货币。牛顿大神既在科学理论的天空里划下痕迹,又在世俗事务上游刃有余,这在科学界是不多见的。得从新的角度来看看这位开创了物理学新时代的大师了,他的人生也许比你最大胆的想象还要精彩。

1727年3月31日,牛顿去世。而在网络上,你会看到两个牛顿逝世纪念日,3月20日和3月31日。它们都是对的,出现这种差异是依据的历法不一样,并不是错误。

基督教国家在1582年之前使用的是凯撒大帝制定的公历,称为儒略历,但是这个历法的误差比较大,大约三百年会差一天。1582年梵蒂冈教皇格里高利十三世,从旧历中删去了10天,把10月4日后面一天变成了10月15日,同时也改了闰年的规则。这就是格里高利历,即我们现在用的公历。

但身为北方的新教国家的英国,本着“教皇同意我们就反对”的原则,一直到1752年,都一直在沿用着儒略历。对于英国人来讲,牛顿的生卒日期用儒略历来表述更符合本国历史记录。但是对于国际交流来说,在3月31日纪念牛顿忌日是更通行的做法。

改革铸币厂稳定了英国经济的牛顿

18岁那年(1661年),牛顿从林肯郡格兰瑟姆镇考入剑桥大学,26岁,担任剑桥大学卢卡斯讲席教授,44岁(1687年)出版《原理》。

就在牛顿改变科学史的时候,英国历史也发生了巨变。1688年英国发生“光荣革命”,资产阶级和新贵族驱逐了信奉天主教的国王詹姆斯二世,从荷兰迎回了他信奉新教的女婿威廉和女儿玛丽加冕为英国“双王”。

牛顿在多年的清苦的科学探索之后,虽然收获了巨大的科学荣誉,但经济上却收入微薄,就连出版《原理》一书的费用都是好友埃德蒙-哈雷变卖家产支付的。牛顿静极思动,请伦敦的好友哲学家洛克、财政大臣查尔斯-蒙塔古等人帮忙谋职。蒙塔古帮英国建立了英格兰银行(中央银行),发行了英国第一张纸币。1696年3月18,他致信牛顿,已经征得国王同意,为他谋得了皇家造币厂督办(Warden)一职,并向他保证这个职位“无需花费太多时间,闲暇时光悉如尊意”,总之钱多事少离家近。

牛顿于是买了两头驴子,一头自乘,一头驮着简单的行李,就告别了居住三十年的剑桥到伦敦去了。

当时英国主要的货币是银币,就是拿一块银饼,压上国王的头像。这样的银币有着天然的缺陷,非常容易磨损。还有人专门把银币的边缘剪下来,制造了大量贬值银币。还有用锡掺进银子里制造劣质假币的。历史学家麦考利勋爵在一份货币状况的报告中写道:在危机达到顶峰时,国库收税收到的每100英镑中,好的先令不足10枚。随着“劣币驱逐良币”,英国银币在国际贸易市场上越来越被排斥,许多国家拒绝接受用英国银币付款。

更现实的危机是,英王威廉三世正率领10万军队,在欧洲大陆上与法国长期作战争夺领地,军费需求巨大。英国银币的短缺,可能导致军费断绝。英国政府为了稳定市场,决定回收所有的银币,加工重铸新币。这一项超级巨大的工程,究竟应该如何完成,显然是一项巨大的挑战。牛顿恰在此时出现在造币厂。

牛顿走马上任之后,立即发现了造币厂管理混乱的现状,担任厂长的贵族中饱私囊、尸位素餐。于是他决定亲自处理造币厂的一切事物。牛顿用他那颗人类历史上最伟大的大脑,系统地研究了造币厂两百多年的历史,和与造币相关的一切技术细节、成本核算。身为上流社会成员的他,竟然蹲在机器跟前,记录每一个班次详细的运转情况,包括使用的银币熔毁重铸的损耗,工人和马匹的工作效率,工序之间的停顿时间。他还抄写了从1059年到1691铸币的质量与数量的记录。一切事物他都亲力亲为,“不要轻易相信别人的计算,只能相信自己的双眼”。

在收集了五大口袋数千页资料之后,牛顿用他研究数学和宇宙的天分,从纷繁芜杂的数据中发现了造币厂运转的规律,他向财政部提交了题为《造币厂现状》(The State of the Mint)的报告,立即开始他的改革。

造币机器原来的设计能力是每星期生产1.5万英镑,按照这种速度,完成制造700万英镑的目标工作需要将近九年的时间。牛顿指挥工人新安装了三台熔炉,每天可以提供5吨的精炼液态银。为了增加铸币能力,又添置了8台压平机(用于压制银饼)和5台新的冲床。通过这样的添置设备,造币厂的工人达到了近500人,马50匹。

牛顿以他研究宇宙的耐心与细致,制定了流水线上详细的人马分配,力求实现最高效率。他凌晨4点就到工厂工作,他发现,如果造币机每分钟撞击50到55下,工人和机器就可以一口气数小时地连续工作,他由此确定了整个造币厂的运行指标,很快就让产量提升到每周5万英镑,甚至能达到每周12万英镑。很快,1696年当年就完成铸币250万英镑,稳定了英国市场。

在重铸的高潮期,一周除了周日之外,造币厂每日凌晨4点准时开工直至午夜。这样,到1699年6月,皇家造币厂在牛顿的指挥下,仅仅用了三年,就完成了全国银币的重铸,总计684.719万英镑。英国的经济形势由此得以好转,牛顿也获得他应有的回报:在1699年圣诞节他57岁生日,名正言顺地得到了厂长一职,并终身任职。1705年,牛顿被安妮女王封为爵士,从此跻身贵族之列。

其后,为了解决银币外流的问题,牛顿向内阁递交了调查报告,结合了东印度、中国和日本的例子,详细论证了白银如何大势已去,必须认识黄金的重要性,并对其进行国家统一定价。1717年,议会通过决议,将英国的黄金价格定为每盎司(纯度0.9)3英镑17先令10便士,从此英镑面值与黄金挂钩,建立了事实上的货币金本位制度。

吊死伪币制造者

在造币厂的运行走上正轨的时候,牛顿发现他又必须要处理另一个棘手的问题,就是伪造硬币的犯罪分子。这些人本来以剪切硬币为生,但是牛顿铸造的新币让这种方法不再可行,大多数人只能金盆洗手。但是有一个特别胆大狡猾的犯罪分子威廉-查洛纳(William Chaloner),给牛顿制造了大量的麻烦。

此人虽没受过正规教育,但有一定的文化,能迅速学会新的手艺,交易谨慎,获利甚丰,他声称层制造过3万英镑伪币。此人聪明大胆,至少曾经两次逃脱死刑,有一次甚至把自己的罪行栽赃给同伙,还因为举报有功受到了财政部的奖励。在与牛顿的交手当中,最初牛顿也曾经把他逮捕入狱,但是因为证据不足,法庭竟然将他当场释放。

牛顿的后来记述说,如果查洛纳就此收手,说不定可以过上绅士一般的生活。可惜查洛纳并没有意识到自己已经遇上了最可怕的对手,过一段时间之后,因为把钱财挥霍一空,再次重操旧业。牛顿作为造币厂督办,自古就兼领着另一个奇怪的职务,在伦敦及其周围地区执行国王法律的治安官。为了对付这头最狡猾的狐狸,牛顿很快将自己变成一位称职的经侦队长,跟踪、抓捕并起诉了数十名伪币制造者。曾经的数学教授,如今学会了在茶馆里刺探情报、在市场上收买线人、在犯罪团伙里安插卧底,甚至在监狱里刑讯逼供——别忘了要再过160年,伦敦才会建立职业的警察厅苏格兰场。

为了布局,牛顿自掏腰包,花费超过了他担任造币厂督办的年薪,建立了自己亲自指挥的,由释放的囚犯、买卖假币的线人各色人等组成的侦缉网。再次出手的查洛纳找到的假币贩子,其实是牛顿早已收买的线人。牛顿于是顺藤摸瓜,查抄了查洛纳老巢,把用于制造假币的机器和小团体一网打尽。在法庭上,牛顿派出了一个又一个证人出庭,证明了查洛纳一桩又一桩的罪行罄竹难书,最终法庭判处绞刑。

当查洛纳在绞刑架上为选错了对手而懊悔的时候,牛顿已经在办公室里烧毁有关密档,庆祝他的胜利了。1727 年3月20日牛顿与世长辞。为了纪念牛顿的功勋,皇家造币厂当年发行了一枚牛顿纪念章,几百年后,造币局还让牛顿的形象登上了英镑。

然而,那枚钱币,出了差错。

英镑上的差错

这会是一件个几乎能让牛顿从棺材里跳出来抗议的差错。英国为纪念牛顿而发行的两份钞币上,竟然出现两次同样的科学错误!

第一份是1978年发行的1英镑纸币(已经于1988年退出流通)。钞票正面是伊丽莎白二世女王年轻时的头像和英格兰银行徽标,头戴加冕时的帝国王冠。正面左下角是行长(总出纳Chief Cashier)的签名钞票。

反面是太阳系模型和牛顿半身坐像,右下角是牛顿的名字和生卒年份(1642—1727)。牛顿膝上放着他的划时代著作《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》),双手打开此书表明正在阅读,身旁桌案上放着一块三棱镜(由此他提出了光的色散理论)和他设计的反射式望远镜。反面图案的设计者是Harry Eccleston。

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另一份是2017年发行的50便士硬币,这是为了纪念牛顿这位科学家兼(铸币大师)诞辰375周年。英国50便士(50p)硬币,价值等于半英镑(目前英国货币施行十进制),成分是0.925银。它形状是等宽七边形(即Reuleaux多边形),这种形状是一种等宽曲线,可以在矩形内滚动。这种形状具有革命性意义,既可以轻易通过手感识别,恒定的宽度又使其可以在自动售货机中滚动。

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50便士硬币正面是女王伊丽莎白二世老年头像,戴着皇家钻石王冠。艺术家的名字缩写JC(代表乔迪-克拉克)位于头下方的小写字母中。

背面是太阳系模型图(显然是取自一英镑纸币图案的一部分),上方刻有牛顿名字。还有面额FIFTY PENCE。设计师Aaron West的姓名缩写AW在右下角。

这两份钞币上的太阳系模型这个科学图案是由两部分组成的,一部分是设计者绘制的太阳系行星轨道的彩绘图(太阳和三条行星轨道),另一部分是来自牛顿的《原理》第一卷命题11的原理图。有意思的是这两个图本身都没有错误,但是当它们组合起来之后就放错位置了。

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官方说明指出,钞币图案作者绘制彩图的意图是“太阳位于代表不同行星轨道的三个椭圆的共同焦点上”。中间是发光的太阳,三条交错的轨道令人想起了传统上代表科学的卢瑟福原子模型。卢瑟福的“行星原子模型”正是受牛顿行星轨道的启发创造出来的。

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被彩图覆盖的,是牛顿《原理》命题11原理图的简化版(去掉了若干线条),它的原版如下图。

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这张图表示什么意思呢?

命题11指出,如果物体保持在椭圆形路径上运行,意味着它受到了指向椭圆一个焦点的向心力。(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.)

这里的物体的就是行星,太阳位于一个焦点上,向心力即二者之间的引力。牛顿在此命题证明,向心力与行星河太阳之间的距离平方成反比关系。这实际上就是牛顿引力定律的一个应用。在图上,S是椭圆的一个焦点(H是另一个焦点),C是椭圆中心,P是行星在椭圆上的任意位置。

说到这里,你可能已经发现了。两张图确实都没有错,但是当设计者把两张图叠加在一起的时候出了错误。他把太阳放在了椭圆的中心点C点上,实际上应该放在焦点S点上。

也就是说,作者可能被我们平常说的“行星围着太阳转”这个说法给误导了,错误地以为太阳就应该在《原理》这张图上坐标系的中心。可是,太阳它恰恰不在这个中心上。

为什么说牛顿要从棺材里跳起来?

牛顿《原理》图上点线意义:S点是椭圆焦点,即太阳位置;C点是椭圆对称中心;P点是行星(动态)位置。

这个错误也是很容易被忽视的——把太阳放在中心,非常符合我们的直觉,但是并不符合现代科学帮我们建立的常识。也许这里凸显的是两种文化——科学文化和人文文化——之间的隔阂与冲突。可能现在的很多小学生,都知道地球这些行星在椭圆轨道上围绕太阳运行,中学生就会了解什么叫椭圆的焦点。但是“地球围着太阳转”这样的概念,非常容易给我们太阳位于中心的直觉印象。

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当然这个错误也并非不可理解和原谅的。因为平时我们说太阳是太阳系的中心,这个说法并不是错误。对于太阳系的行星轨道来说,两个焦点之间的距离是非常接近的。用数学名词来说就是椭圆的椭率(扁平程度)很小,椭圆的形状实际上很接近圆形。无论是牛顿《原理》图上,还是两位作者设计的行星轨道,实际上都对椭圆的扁平程度进行了夸张。不过对于一个科学问题来说,这个错误仍然是错误,应该及时改正。

牛顿建立的科学体系让我们对自然界的认识,首次达到了非常精密的程度。牛顿不仅解释了月亮、行星、彗星的轨道,解释了地球潮汐的原理,还根据地球的自转告诉我们地球是一个赤道方向略鼓两极稍扁的椭球形——这跟笛卡尔的预测正好相反,经过法国天文学家卡西尼家族三代人的测量,证明牛顿是对的。科学结论有许多是“反直觉”的,必须按照逻辑逐步理解,才能够到达最终结论,胆大必须和严谨结合起来才能成功。

牛顿的成功正是源于他对日常现象背后秘密的艰苦探索。他在前人工作的基础之上工作,又不盲目崇拜古人,对数千年积累下来的知识进行了甄选,摒弃错误的信念,才能够取得巨大的进步,建立了以自己命名的世界体系,并深刻影响了人类的历史和文化。

在伦敦威斯敏斯特大教堂牛顿的墓志铭上。墓志铭上写着:

伊萨克-牛顿爵士,安葬在这里。他以超乎常人的智力,和他独创的数学原理,探索了行星的运行与形状、彗星的轨道、海洋的潮汐、光线的折射,以及其他学者此前从未想象过的,由此产生的光的颜色性质。他用对自然、古代史和圣经探索中的勤奋、睿智和忠实,他通过自己的哲学证明了尊贵上帝之大能与慈爱,并以他的方式表达了福音之简朴。对于如此之伟大的人类之光,凡人都为之欢呼!他生于1642年12月25日,去世于1727年3月20日。

牛顿的引力定律,完美地解释了太阳为什么不在椭圆轨道的中心而是在焦点上,令人类对宇宙规律的把握达到了前所未有的高度。我们可以想象,假如牛顿看到了英国人现在手里的钞票和硬币发现,后人居然把如此伟大的贡献都给他弄错了,一定会气得从棺材里跳起来“老子最伟大的贡献都被你们弄错了!这届造币厂领导的素质不行啊!”

声明:本文转载自“赛先生”微信公众号,撰文孙正凡,责编李珊珊。

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