當前位置: 華文世界 > 科學

牛頓與重力:站在巨人肩上,展望科學無限可能

2024-08-28科學

眾所周知,萬有重力是自然界中存在的一種基本力,其核心原理是所有具有品質的物體之間都存在相互吸引的現象。然而,僅僅了解這些,並不能完全掌握重力的全貌。

牛頓在科學領域取得顯著成就後,曾經著名地說過,「我之所以能看得更遠,是因為站在了巨人們的肩上」。的確,在牛頓之前,許多先鋒已經對自然界的運作原理進行了探索。

在歷史上,無論是東方還是西方,古人都普遍接受了天圓地方的宇宙觀。他們普遍認為,繁星閃爍的夜空是圍繞地球旋轉的。

然而,哥白尼的理論第一次對地心說提出了挑戰。他觀察到,如果天體都圍繞地球轉動,那麽這些天體的運動軌跡會非常復雜。如果是圍繞太陽轉動,則這些軌跡會簡單許多。

哥白尼在中年時倡導了以太陽為中心的宇宙體系,即日心說。但由於擔心受到宗教迫害,他宣稱自己的理論並不與【聖經】相抵觸。盡管如此,他仍然感到不安,因為在那個時代,對教會教義提出質疑的人往往會被處以火刑。哥白尼在晚年才出版了他的【天體執行論】,從而使日心說得到了廣泛傳播。

接替哥白尼的是布魯諾,他的觀點比哥白尼更為激進。布魯諾不僅接受日心說,還提出了宇宙無限的觀點,認為宇宙中存在無數像太陽這樣的恒星,地球和人類在宇宙中微不足道。羅馬教廷因其「異端」觀點而對他極為憤怒,經過嚴刑拷打後,布魯諾仍然堅持自己的觀點,最終被活活燒死。

同時代的還有天文學家第谷,他透過持續觀測得到了大量的天體運動數據。透過這些數據,第谷確信天體確實圍繞太陽旋轉,但他自己卻不完全支持哥白尼的日心說。第谷認為,雖然天體圍繞太陽旋轉,太陽和這些天體又一起圍繞地球旋轉,從而保持地球在宇宙中的中心地位。這種折中的理論甚至在明朝時期也被一度接受。

第谷去世後,他的學生和助手克卜勒繼承了他的研究工作,並提出了著名的克卜勒三定律。

克卜勒發現:所有的行星圍繞太陽的運動軌跡是橢圓形的,而太陽位於橢圓軌域的一個焦點上。

他的第二定律表明:行星在接近太陽時移動得更快,離太陽遠時移動得更慢,並且在相同時間內,行星經過的面積總是相等的。

克卜勒的第三定律揭示了一個有趣的關系:任何兩顆行星的軌域周期的平方與其軌域半長軸的立方成正比。

這些發現為牛頓後來的理論奠定了基礎。牛頓透過結合克卜勒的定律和伽利略的慣性觀點,提出了他自己的萬有重力定律。

牛頓提出了一個問題:為什麽地球不是在空間中以勻速直線運動的?他意識到,雖然地球看似沒有受到外力的影響,但其實它是受到了太陽的重力作用。當牛頓見到蘋果落地時,他認識到地球和蘋果之間的重力,從而啟發了他對萬有重力的理解。

牛頓進一步推理,如果地球和太陽之間存在重力,那麽這種力會使地球偏離它原本直線的路徑,朝太陽移動,這和平拋運動很類似。由於地球具有較大的初始速度,它圍繞太陽旋轉而沒有落向太陽表面。

牛頓還提出,兩個物體之間的重力隨距離的平方增加而減少,而且與兩個物體的品質成正比。

為了將萬有重力與牛頓的第二定律\( F=ma \)統一起來,引入了重力常數G。卡文迪許透過實驗精確地測量了這一常數,從而完善了萬有重力的公式,並使人類首次計算出了地球的品質。

牛頓在思考重力背後的動力時,認為是上帝的存在推動了重力。他還面臨了一個難題:重力是如何在宇宙空間中傳遞的?他引入了亞里斯多德的以太概念,認為以太是一種物質,充滿宇宙,作為重力傳播的媒介。

然而,後來的物理學家們經過長時間的實驗,發現無法驗證以太的存在。這直接導致了牛頓的重力理論被認為是超距作用,這一點連牛頓自己也難以接受。

直到愛因史坦在1915年提出了時空彎曲理論,新的重力理論解決了重力傳播的媒介問題。在這一理論中,根本不需要以太作為重力的介質。因為重力實際上是時空彎曲的一種表現,地球在太陽引起的彎曲時空中運動,必須沿著彎曲的路徑前進。

盡管如此,我們今天仍然使用牛頓力學,盡管它的適用範圍已經被限制在低速和宏觀領域。這一理論在現代物理中仍然扮演著不可替代的角色,盡管在極端條件下它已經被新理論取代。