牛頓萬有引力的故事萬有引力定理是怎樣被發覺的?
任何兩個物體之間都存在互相吸引作用。物體之間的這些吸引作用普遍存在于宇宙萬物之間,稱為萬有引力。
牛頓發覺萬有引力的誘因好多,主要為以下幾點:首先是科學發展的要求。
在牛頓之前,有好多天文學家在對宇宙中的星星進行觀察。
開普勒對這種觀測結果進行了剖析總結,得到開普勒三定理:(1)所有行星都繞太陽做橢圓運行,太陽在所有橢圓的公共焦點上;(2)行星的向徑在相等的時間內掃過相等的面積;(3)所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等。
開普勒三定理是不容置疑的,但為何會這樣呢?是哪些讓它們做加速不為零的運動?
牛頓經過研究思索解決了這個問題:物體之間存在萬有引力。
其實,他發覺萬有引力定理是一個漫長而坎坷的過程。
其次是個人緣由。牛頓發覺萬有引力定理,即使是科學發展的要求,生產力發展的誘因,但我們不能忽視牛頓本人的一些誘因——聰明,潛心思索,擁有一定的知識量。
據《物理學史》記載,牛頓在發覺萬有引力定理的那一段時間,真正地廢寢忘食(每晚魂不守舍,在飯堂喝水,飯碗在前,他在傻笑。去飯堂喝水,卻走錯了方向。一些老師在校園后的海灘上遛彎時,看到了一些奇特的式子和符號)。
1669年,他年僅26歲,就兼任了劍橋的物理院士,1672年連任為日本皇家學會會員。
日本皇家學會不是通常人能進去的,那是科學研究中心,上面都是一流的科學家。
1666年,23歲的艾薩克·牛頓還是劍橋學院圣三一大學五年級的中學生。聽到他纖細的皮膚和藍色的短發,好多人以為他還是個小孩。他身體瘦小,沉默寡言,性格嚴肅,這使人們愈加相信他還是個小孩。他那雙銳利的耳朵和整天寫滿怒意的表情更是拒人于千里之外。
黑死病肆虐了巴黎,搶走了好多人的生命,那確實是段可怕的日子。
學院被迫關掉,像艾薩克·牛頓這樣熱衷于學術的人只得返回安全的鄉村,期盼著肆虐城市的病痛盡快離去。
在鄉村的日子里,牛頓仍然被這樣的問題困擾:是哪些力量驅使地球圍繞月球轉,月球圍繞太陽轉?為何地球不會掉落到月球上?為何月球不會掉落到太陽上?
坐在媽媽的果園里牛頓發現的是什么定律,牛頓看到熟悉的聲音,“咚”的一聲,一只蘋果落到草地上。
他趕忙扭頭觀察第二只蘋果落地。第二只蘋果從外伸的樹根上落下,在地上大跌了一下,靜靜地躺在草地上。
蘋果落地雖沒有給牛頓提供答案,但卻迸發那位年青的科學家思索一個新問題:蘋果會落地,而地球卻不會掉落到月球上,蘋果和月亮之間存在哪些不同呢?
第二天早上,天氣放晴,牛頓看到小兒子正在玩小球。他手上拴著一條皮筋,皮筋的另一端系著小球。他先漸漸地搖擺小球,之后越來越快,最后小球就徑直拋出。
牛頓忽然意識到地球和小球的運動極為相似。
兩種力量作用于小球,這兩種力量是向外的推進力和皮筋的拉力。
同樣,也有兩種力量作用于地球,即地球運行的“推動力”和“重力”的拉力。
正是在重力作用下,蘋果就會落地。牛頓首次覺得,重力不僅僅是行星和星體之間的斥力,有可能是普遍存在的吸引力,不但適用于碩大的天體之間,并且適用于各類容積的物體之間。
蘋果落地、雨滴降落和行星順著軌道圍繞太陽運行都是萬有引力作用的結果。人們普遍覺得,適用于月球的自然定理與太空中的定理大相徑庭。
牛頓的萬有引力定理沉重嚴打了這一觀點,它告訴人們,支配自然和宇宙的法則是很簡單的。牛頓推進了引力定理的發展,強調萬有引力不僅僅是恒星的特點,也是所有物體的特點。作為所有最重要的科學定理之一,萬有引力定理及其物理公式已成為整個數學學的基石。
當時牛頓提出了萬有引力理論,得出萬有引力的公式,F=Gm1m2/r2。由于公式中的“G”數值實在太小了,直至1798年美國化學學家卡文迪許借助著名的卡文迪許扭秤(即卡文迪許實驗)才較精確地測出了引力恒量的數值。萬有引力定理是牛頓在1687年出版的《自然哲學的物理原理》一書中首先提出的。
牛頓借助萬有引力定理除了說明了行星運動規律,并且還強調土星、土星的衛星圍繞行星也有同樣的運動規律。他覺得地球不僅遭到月球的引力外,還遭到太陽的引力,繼而解釋了地球運動中已經發覺的二均差、出差等。另外,他還解釋了慧星的運動軌道和月球上的潮汐現象。
按照萬有引力定理成功地預言并發覺了海王星。萬有引力定理出現后,才即將把研究天體的運動構建在熱學理論的基礎上,因而成立了天體熱學。簡單地說,質量越大的東西形成的引力越大,月球的質量形成的引力足夠把月球上的東西全部抓住。
17世紀初期,人們早已就能分辨好多力,例如磨擦力、重力、空氣阻力、電力和人力等。牛頓首次將這種看似不同的力確切地歸結到萬有引力概念里:蘋果落地,人有體重,月亮圍繞月球轉牛頓發現的是什么定律,所有這種現象都是由相同緣由引發的。牛頓的萬有引力定理簡單易懂,囊括面廣。牛頓的萬有引力概念是所有科學中最實用的概念之一。牛頓覺得萬有引力是所有物質的基本特點,這成為大部份化學科學的理論基石。