牛頓

 

牛頓和蘋果樹

 

萬有引力定律應用

 

萬有引力定律公式

 

劍橋大學內的牛頓蘋果樹

 

艾薩克?牛頓被譽為人類歷史上最偉大的科學家之一，他發明了微積分，發現了萬有引力定律和經典力學。相傳牛頓有一天在一棵蘋果樹下看書，一個熟透了的蘋果掉下來砸在牛頓頭上，過一會，又有一個蘋果掉下來落到地上。牛頓就在思考：為什么蘋果熟了就要掉下來？而不是掉上去？進而繼續假設：如果蘋果樹像月亮一樣高，那為什么月亮不會掉下來？一定有一種力把月亮拉著，讓月亮不會掉到地球上來。這是一個發現的瞬間，這次蘋果下落與以往無數次蘋果下落不同，它引起了牛頓的注意。牛頓從蘋果落地這一理所當然的現象中找到了蘋果下落的原因——引力的作用。

數百年來，蘋果巧砸牛頓并砸出萬有引力定律一直是科學史上最為膾炙人口的一段佳話。為慶祝英國皇家學會成立350周年，皇家學會把一部分科學著作原稿的電子版上傳到網上，這其中就包括威廉?斯蒂克利于1752年出版的關于牛頓生活的回憶錄。斯蒂克利在書中記載到，“午餐后，天氣很暖和，我們走進花園，在蘋果樹的陰涼下品茶聊天。當時只有牛頓和我兩個人。他告訴我，他以前也經歷過這樣的場景。那時候他也是坐在蘋果樹下，陷入了沉沉的思緒中。此前，他就對重力問題有了模糊的認識，這時候，一個蘋果掉在地上，打斷了他的思緒。”斯蒂克利接著寫道：“牛頓開始探究，為何蘋果總是垂直地落向地面？為什么蘋果不會斜著落下或飛向天空？很顯然，這是因為地球引力在牽引蘋果。牛頓由此發現了萬有引力定律。”對此，英國牛津大學三一學院歷史學名譽教授馬丁?肯普表示：“牛頓和蘋果的故事多年之后終于真相大白。原來它是后人根據牛頓和斯蒂克利的一段對話‘演繹’而來。”

著名的“牛頓蘋果樹”原本生長在牛頓的故鄉伍爾斯索普莊園，那里有一片蘋果園，牛頓從臥室的窗戶望出去，就能看到枝葉搖曳。1820年，這棵蘋果樹被暴風雨刮倒后斷成數截。1998年，英國約克大學的基辛博士提出新論，認為“牛頓的蘋果樹”老樹發新枝，仍然在繼續生長。牛頓的母校劍橋大學，就從這棵蘋果樹上剪下枝椏，移栽到劍橋大學的校園內。列文森表示，麻省理工學院也于2006年移栽了一棵牛頓蘋果樹到麻省理工學院的校園里，意在激勵學生發揮天馬行空的想象力。從傳記記載的時間來看，牛頓是在自己逝世前一年，即1726年，在自己的家鄉英格蘭北部小鎮格蘭瑟姆向斯蒂克利吐露了有關蘋果的逸事。那時，距牛頓發現萬有引力已有60多年，但這位80多歲的老人顯然一直沒有忘記23歲那年的“靈光一閃”。無論經過了多少藝術加工，牛頓與蘋果的故事已經成為了激勵人類想象力的最好讀本。

經典萬有引力定律反映了一定歷史階段人類對引力的認識，在十九世紀末發現，水星在近日點的移動速度比理論值大，即發現水星軌道有旋緊，軌道旋緊的快慢的實際值為每世紀42.9″。這種現象用萬有引力定律無法解釋，而根據廣義相對論計算的結果旋緊是每世紀43.0″在觀測誤差允許的范圍內。此外，廣義相對論還能較好地解釋譜線的紅移和光線在太陽引力作用下的偏轉等現象。這表明廣義相對論的引力理論比經典的引力理論進了一步。

在法拉第和麥克斯韋之后，人們看到物理的實在除了粒子還有電磁場。電磁場具有動量和能量且能傳播電磁波。這使人們聯想萬有引力定律也是物理的實在，能傳播引力波，也有許多人努力探測它，但尚無很好的結果。電磁波的傳播可用光子解釋，類似地，光子也導致引力子概念的引出。萬有引力也不再是超距作用，而以引力子為媒介。但這些都是物理學家正在探索的領域。

經典力學的適用范圍并引入普朗克常量和真空中光速來界定經典力學的領地。粗糙的說，經典的萬有引力定律適用范圍也可用一數量表示。現在引入引力半徑，G、m分別表示引力常量和產生引力場的球體的球體的質量，c為光速。用R表示產生力場球體之半徑，則可用牛頓引力定律。對于太陽，應用牛頓引力定律無問題；即使是對致密的白矮星，也仍然可用牛頓萬有引力定律；至于黑洞和宇宙大爆炸，應當是應用廣義相對論的。

牛頓在推出萬有引力定律時，沒能得出引力常量G的具體值。G的數值于1789年由卡文迪許利用他所發明的扭秤得出。卡文迪許的扭秤試驗，不僅以實踐證明了萬有引力定律，同時也讓此定律有了更廣泛的使用價值。

根據牛頓的發現，可以測定太陽和行星的質量，確定計算慧星軌道的法則，說明月亮和太陽的引力造成地球上海洋的潮汐現象。根據牛頓的發現，可以推導出克服地球引力、飛向太陽系和飛出太陽系所需的最低速度，它們分別為每秒7.9千米、11.2千米和16.6千米，并依次命名為第一、第二和第三宇宙速度。牛頓不但驗證了前輩們的成果，而且為未來空間運載工具的最低推力或速度下限值，提供了精確而權威的科學依據。牛頓將其一生的成就寫在《自然哲學與數學原理》一書中。他創立了微積分數學，發現了物體運動的三大定律。后來，他在談到自己所取得的成就時，說：“如果我比其他人看得遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。”

牛頓是17世紀人類最偉大的科學家，是人類歷史上屈指可數的幾個科學巨人之一。牛頓為科學奮斗了一生，在數學、物理學和天文學方面，都作出了劃時代的貢獻。英國詩人波普在為他寫的碑銘說：“自然和自然的規律，都藏在黑暗的夜間；人帝說，‘讓牛頓降生’，使一切變得光明、燦爛。”

萬有引力定律的發現，是17世紀自然科學最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來，對以后物理學和天文學的發展具有深遠的影響。它第一次解釋了（自然界中四種相互作用之一）一種基本相互作用的規律，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

萬有引力定律揭示了天體運動的規律，在天文學上和宇宙航行計算方面有著廣泛的應用。它為實際的天文觀測提供了一套計算方法，可以只憑少數觀測資料，就能算出長周期運行的天體運動軌道，科學史上哈雷彗星、海王星、冥王星的發現，都是應用萬有引力定律取得重大成就的例子。利用萬有引力公式，開普勒第三定律等還可以計算太陽、地球等無法直接測量的天體的質量。牛頓還解釋了月亮和太陽的萬有引力引起的潮汐現象，依據萬有引力定律和其他力學定律，對地球兩極呈扁平形狀的原因和地軸復雜的運動，也成功的做了說明。推翻了古代人類認為的神之引力。使人們建立了有能力理解天地間的各種事物的信心，解放了人們的思想，在科學文化的發展史上起了積極的推動作用。

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如果沒有蘋果 牛頓還能發現萬有引力嗎

圖文簡介

蘋果巧砸牛頓并砸出萬有引力定律一直是科學史上最為膾炙人口的一段佳話。