牛頓二十三歲時(shí),登革熱流行于巴黎,劍橋?qū)W院為防治中學(xué)生受傳染,通告中學(xué)生退學(xué)回去避疫,中學(xué)暫時(shí)關(guān)掉。牛頓回到家鄉(xiāng)林肯郡鄉(xiāng)下。在鄉(xiāng)下渡過(guò)的退學(xué)日子里,他從沒(méi)間斷過(guò)學(xué)習(xí)和研究。萬(wàn)有引力、微積分、光的剖析等發(fā)明的基礎(chǔ)工作,都是這個(gè)期間完成的。
關(guān)于牛頓萬(wàn)有引力定理的小故事
1642年新年節(jié)的夜晚,牛頓誕生在德國(guó)北部林肯郡沃爾斯索普村。在他出生前的幾個(gè)月,母親就病逝了。他還是一個(gè)足月兒,好多人都害怕他長(zhǎng)不大。但他在長(zhǎng)大成人后,成了一位科學(xué)的巨人。1665年,巴黎發(fā)生了霍亂,中學(xué)罷課,還是牛津?qū)W院中學(xué)生的牛頓被迫回去躲避瘟疫。這一年,他23歲。
不過(guò),在家的牛頓并不是無(wú)事可做,而是仍然在梳理學(xué)院學(xué)習(xí)中遇到的種種疑點(diǎn)。他不停地思索著光的秘密牛頓關(guān)于物理的故事,天空的秘密,物理王國(guó)的秘密。在家退學(xué)的一年半的時(shí)間,是牛頓一生中大豐收的季節(jié)。光的色散現(xiàn)象,微積分,萬(wàn)有引力定理等,都是他在這個(gè)時(shí)侯發(fā)覺(jué)的。
有三天,牛頓中午后走入后嘉園休息,在一棵蘋(píng)果樹(shù)下坐了出來(lái),與他的同事史特克萊一起談著數(shù)學(xué)學(xué)中的各類問(wèn)題。談著談著,樹(shù)上的一只蘋(píng)果似乎是煮熟了的緣故,猛然落下地來(lái)牛頓關(guān)于物理的故事,但是不偏不倚,剛好落在牛頓的身上。
牛頓倍感十分奇怪。他拿起蘋(píng)果,自言自語(yǔ)地說(shuō):為何這只蘋(píng)果不往對(duì)面掉,不往天上飛,偏偏要往下落呢?一定是哪些東西在吸引它。這么,又是哪些東西吸引了它呢?此后,牛頓進(jìn)行了這樣的推論:吸引蘋(píng)果下落的可能是月球。可能蘋(píng)果受著一個(gè)力,這個(gè)力朝向月球的中心。月球的各個(gè)地方的物體,都受著地球的引力,這個(gè)引力的方向都奔向地心,因而,物體就會(huì)往地上掉。
牛頓又進(jìn)行了大膽的聯(lián)想:假如一個(gè)人站在懸崖上,把一塊石頭輕輕地拋出,石頭都會(huì)落到不遠(yuǎn)處的地上;假如他用的力更大,石頭都會(huì)落得更遠(yuǎn);若力量足夠大時(shí),這石頭就將不再落到地面上,而是圍繞月球旋轉(zhuǎn)上去;要是月球沒(méi)有引力,這石頭都會(huì)朝著這個(gè)人拋出的方向照直航去。牛頓還想到,月亮以一定的距離繞月球轉(zhuǎn)動(dòng),就是由于月亮總是向月球下落的緣故。
引力猶如一頭拿在兒子手中、一頭拴著小石頭的繩子一樣,從孩子手中牽著小石頭滴溜溜地繞圈。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的思考,牛頓恍然活潑:只要證明月球?qū)Φ厍虻奈Υ_實(shí)就是月亮繞月球運(yùn)行所需的向心力,這么各類恒星間都有互相吸引力的推論就是正確的了。結(jié)果,牛頓通過(guò)反復(fù)估算證明了引力的存在。
萬(wàn)有引力定理的內(nèi)容
萬(wàn)有引力定理是牛頓在前人研究基礎(chǔ)上,于1687年在《自然哲學(xué)的物理原理》上發(fā)表的。牛頓敘述的內(nèi)容是:自然界中任何兩個(gè)物體是互相吸引的,引力的大小與兩物體的質(zhì)量的乘積成反比,與兩物體寬度離的平方成正比。
假如用m1、m2表示兩個(gè)物體的質(zhì)量,r表示它們間的距離,則物體間互相吸引力(萬(wàn)有引力)F=Gm1m2/r2(其中G稱為萬(wàn)有引力常數(shù)也可簡(jiǎn)稱為引力常數(shù))
G由卡文迪許使用扭秤裝置測(cè)出,其值約為6.67×10^-11N·m2/kg2。