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牛顿与引力:站在巨人肩上,展望科学无限可能

2024-08-28科学

众所周知,万有引力是自然界中存在的一种基本力,其核心原理是所有具有质量的物体之间都存在相互吸引的现象。然而,仅仅了解这些,并不能完全掌握引力的全貌。

牛顿在科学领域取得显著成就后,曾经著名地说过,「我之所以能看得更远,是因为站在了巨人们的肩上」。的确,在牛顿之前,许多先驱者已经对自然界的运作原理进行了探索。

在历史上,无论是东方还是西方,古人都普遍接受了天圆地方的宇宙观。他们普遍认为,繁星闪烁的夜空是围绕地球旋转的。

然而,哥白尼的理论第一次对地心说提出了挑战。他观察到,如果天体都围绕地球转动,那么这些天体的运动轨迹会非常复杂。如果是围绕太阳转动,则这些轨迹会简单许多。

哥白尼在中年时倡导了以太阳为中心的宇宙体系,即日心说。但由于担心受到宗教迫害,他宣称自己的理论并不与【圣经】相抵触。尽管如此,他仍然感到不安,因为在那个时代,对教会教义提出质疑的人往往会被处以火刑。哥白尼在晚年才出版了他的【天体运行论】,从而使日心说得到了广泛传播。

接替哥白尼的是布鲁诺,他的观点比哥白尼更为激进。布鲁诺不仅接受日心说,还提出了宇宙无限的观点,认为宇宙中存在无数像太阳这样的恒星,地球和人类在宇宙中微不足道。罗马教廷因其「异端」观点而对他极为愤怒,经过严刑拷打后,布鲁诺仍然坚持自己的观点,最终被活活烧死。

同时代的还有天文学家第谷,他通过持续观测得到了大量的天体运动数据。通过这些数据,第谷确信天体确实围绕太阳旋转,但他自己却不完全支持哥白尼的日心说。第谷认为,虽然天体围绕太阳旋转,太阳和这些天体又一起围绕地球旋转,从而保持地球在宇宙中的中心地位。这种折中的理论甚至在明朝时期也被一度接受。

第谷去世后,他的学生和助手开普勒继承了他的研究工作,并提出了著名的开普勒三定律。

开普勒发现:所有的行星围绕太阳的运动轨迹是椭圆形的,而太阳位于椭圆轨道的一个焦点上。

他的第二定律表明:行星在接近太阳时移动得更快,离太阳远时移动得更慢,并且在相同时间内,行星经过的面积总是相等的。

开普勒的第三定律揭示了一个有趣的关系:任何两颗行星的轨道周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。

这些发现为牛顿后来的理论奠定了基础。牛顿通过结合开普勒的定律和伽利略的惯性观点,提出了他自己的万有引力定律。

牛顿提出了一个问题:为什么地球不是在空间中以匀速直线运动的?他意识到,虽然地球看似没有受到外力的影响,但其实它是受到了太阳的引力作用。当牛顿见到苹果落地时,他认识到地球和苹果之间的引力,从而启发了他对万有引力的理解。

牛顿进一步推理,如果地球和太阳之间存在引力,那么这种力会使地球偏离它原本直线的路径,朝太阳移动,这和平抛运动很类似。由于地球具有较大的初始速度,它围绕太阳旋转而没有落向太阳表面。

牛顿还提出,两个物体之间的引力随距离的平方增加而减少,而且与两个物体的质量成正比。

为了将万有引力与牛顿的第二定律\( F=ma \)统一起来,引入了引力常数G。卡文迪许通过实验精确地测量了这一常数,从而完善了万有引力的公式,并使人类首次计算出了地球的质量。

牛顿在思考引力背后的动力时,认为是上帝的存在推动了引力。他还面临了一个难题:引力是如何在宇宙空间中传递的?他引入了亚里士多德的以太概念,认为以太是一种物质,充满宇宙,作为引力传播的媒介。

然而,后来的物理学家们经过长时间的实验,发现无法验证以太的存在。这直接导致了牛顿的引力理论被认为是超距作用,这一点连牛顿自己也难以接受。

直到爱因斯坦在1915年提出了时空弯曲理论,新的引力理论解决了引力传播的媒介问题。在这一理论中,根本不需要以太作为引力的介质。因为引力实际上是时空弯曲的一种表现,地球在太阳引起的弯曲时空中运动,必须沿着弯曲的路径前进。

尽管如此,我们今天仍然使用牛顿力学,尽管它的适用范围已经被限制在低速和宏观领域。这一理论在现代物理中仍然扮演着不可替代的角色,尽管在极端条件下它已经被新理论取代。