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牛頓和萬有引力定律的故事

 侗鄉(xiāng)人1961 2015-01-26

牛頓和萬有引力定律的故事




時間:2014-12-08 責(zé)任編輯:中國歷史故事網(wǎng) 點(diǎn)擊:1155次





  任何兩個物體之間都存在相互吸引作用。物體之間的這種吸引作用普遍存在于宇宙萬物之間,稱為萬有引力。


  牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的原因很多,主要為以下幾點(diǎn):首先是科學(xué)發(fā)展的要求。


  在牛頓之前,有很多天文學(xué)家在對宇宙中的星星進(jìn)行觀察。


  開普勒對這些觀測結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié),得到開普勒三定律:(1)所有行星都繞太陽做橢圓運(yùn)行,太陽在所有橢圓的公共焦點(diǎn)上;(2)行星的向徑在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積;(3)所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。


  開普勒三定律是不容置疑的,但為什么會這樣呢?是什么讓它們做加速不為零的運(yùn)動?


  牛頓經(jīng)過研究思考解決了這個問題:物體之間存在萬有引力。


  當(dāng)然,他發(fā)現(xiàn)萬有引力定律是一個漫長而曲折的過程。


  其次是個人原因。牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律,雖然是科學(xué)發(fā)展的要求,生產(chǎn)力發(fā)展的原因,但我們不能忽略牛頓本人的一些因素——聰明,勤于思考,擁有一定的知識量。


  據(jù)《物理學(xué)史》記載,牛頓在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的那一段時間,真正地廢寢忘食(每天魂不守舍,在食堂吃飯,飯碗在前,他在發(fā)呆。去食堂吃飯,卻走錯了方向。一些老師在校園后的沙灘上散步時,看見了一些古怪的算式和符號)。


  1669年,他年僅26歲,就擔(dān)任了劍橋的數(shù)學(xué)教授,1672年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員。


  英國皇家學(xué)會不是一般人能進(jìn)去的,那是科學(xué)研究中心,里面都是一流的科學(xué)家。


  1666年,23歲的艾薩克·牛頓還是劍橋大學(xué)圣三一學(xué)院三年級的學(xué)生。看到他白皙的皮膚和金色的長發(fā),很多人以為他還是個孩子。他身體瘦小,沉默寡言,性格嚴(yán)肅,這使人們更加相信他還是個孩子。他那雙銳利的眼睛和整天寫滿怒氣的表情更是拒人于千里之外。


  黑死病席卷了倫敦,奪走了很多人的生命,那確實(shí)是段可怕的日子。


  大學(xué)被迫關(guān)閉,像艾薩克·牛頓這樣熱衷于學(xué)術(shù)的人只好返回安全的鄉(xiāng)村,期待著席卷城市的病魔早日離去。


  在鄉(xiāng)村的日子里,牛頓一直被這樣的問題困惑:是什么力量驅(qū)使月球圍繞地球轉(zhuǎn),地球圍繞太陽轉(zhuǎn)?為什么月球不會掉落到地球上?為什么地球不會掉落到太陽上?


  坐在姐姐的果園里,牛頓聽到熟悉的聲音,“咚”的一聲,一只蘋果落到草地上。


  他急忙轉(zhuǎn)頭觀察第二只蘋果落地。第二只蘋果從外伸的樹枝上落下,在地上反彈了一下,靜靜地躺在草地上。


  蘋果落地雖沒有給牛頓提供答案,但卻激發(fā)這位年輕的科學(xué)家思考一個新問題:蘋果會落地,而月球卻不會掉落到地球上,蘋果和月亮之間存在什么不同呢?


  第二天早晨,天氣晴朗,牛頓看見小外甥正在玩小球。他手上拴著一條皮筋,皮筋的另一端系著小球。他先慢慢地?fù)u擺小球,然后越來越快,最后小球就徑直拋出。


  牛頓猛地意識到月球和小球的運(yùn)動極為相像。


  兩種力量作用于小球,這兩種力量是向外的推動力和皮筋的拉力。


  同樣,也有兩種力量作用于月球,即月球運(yùn)行的“推動力”和“重力”的拉力。


  正是在重力作用下,蘋果才會落地。牛頓首次認(rèn)為,重力不僅僅是行星和恒星之間的作用力,有可能是普遍存在的吸引力,不但適用于碩大的天體之間,而且適用于各種體積的物體之間。www.


  蘋果落地、雨滴降落和行星沿著軌道圍繞太陽運(yùn)行都是萬有引力作用的結(jié)果。人們普遍認(rèn)為,適用于地球的自然定律與太空中的定律大相徑庭。


  牛頓的萬有引力定律沉重打擊了這一觀點(diǎn),它告訴人們,支配自然和宇宙的法則是很簡單的。牛頓推動了引力定律的發(fā)展,指出萬有引力不僅僅是星體的特征,也是所有物體的特征。作為所有最重要的科學(xué)定律之一,萬有引力定律及其數(shù)學(xué)公式已成為整個物理學(xué)的基石。


  當(dāng)時牛頓提出了萬有引力理論,得出萬有引力的公式,F(xiàn)=Gm1m2/r2。因?yàn)楣街械摹癎”數(shù)值實(shí)在太小了,直到1798年英國物理學(xué)家卡文迪許利用著名的卡文迪許扭秤(即卡文迪許實(shí)驗(yàn))才較精確地測出了引力恒量的數(shù)值。萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中首先提出的。


  牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運(yùn)動規(guī)律,而且還指出木星、土星的衛(wèi)星圍繞行星也有同樣的運(yùn)動規(guī)律。他認(rèn)為月球除了受到地球的引力外,還受到太陽的引力,從而解釋了月球運(yùn)動中早已發(fā)現(xiàn)的二均差、出差等。另外,他還解釋了彗星的運(yùn)動軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。


  根據(jù)萬有引力定律成功地預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了海王星。萬有引力定律出現(xiàn)后,才正式把研究天體的運(yùn)動建立在力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,從而創(chuàng)立了天體力學(xué)。簡單地說,質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大,地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。


  17世紀(jì)早期,人們已經(jīng)能夠區(qū)分很多力,比如摩擦力、重力、空氣阻力、電力和人力等。牛頓首次將這些看似不同的力準(zhǔn)確地歸結(jié)到萬有引力概念里:蘋果落地,人有體重,月亮圍繞地球轉(zhuǎn),所有這些現(xiàn)象都是由相同原因引起的。牛頓的萬有引力定律簡單易懂,涵蓋面廣。牛頓的萬有引力概念是所有科學(xué)中最實(shí)用的概念之一。牛頓認(rèn)為萬有引力是所有物質(zhì)的基本特征,這成為大部分物理科學(xué)的理論基石。

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