萬有引力發(fā)現(xiàn)歷程

1、萬有引力發(fā)現(xiàn)歷程物理學(xué)的發(fā)端始于人類對理解星體運(yùn)行的追求。三百多年前，萬 有引力定律的發(fā)現(xiàn)堪稱人類文明與理性探索進(jìn)程中最壯麗的詩篇其 所體現(xiàn)出的科學(xué)智慧的震撼力，至今仍為世人所嘆服。李政道先生在 回答是什么使他走上獻(xiàn)身物理學(xué)研究的道路時(shí)曾說過，是物理學(xué)中那 些具有普適性的物理法則和概念深深打動(dòng)了他，激發(fā)了他深入探究的 興趣。萬有引力定律就是這樣一條具有簡約性和普適性的自然法則， 它第一次把看似毫不相關(guān)的地上與天上運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，第一次揭示大 自然的對稱和諧與物理規(guī)律表達(dá)簡潔而含蓄的內(nèi)在美，并作為牛頓的 “從運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象研究自然力”的又一個(gè)科學(xué)思辨范例，而不斷為歷代科 學(xué)家所效仿。公元1543年哥白尼

2、提出天體運(yùn)行論，以太陽為諸行星的運(yùn)轉(zhuǎn)中 心和地球自轉(zhuǎn)來解釋星象，對人類以自我為中心的宇宙觀作了一個(gè)革 命性的改變。其后克卜勒分別在公元1609年提出行星運(yùn)行第一、二 定律，公元1619年提出的行星運(yùn)動(dòng)第三定律，這三個(gè)定律揭示出幾 個(gè)問題：1.行星的運(yùn)動(dòng)軌道可以是圓的，也可以是橢圓的，但什么樣 的作用方式，可以形成這樣的軌道運(yùn)行呢?2.太陽處于橢圓一焦點(diǎn) 上，顯示行星是繞著太陽的，但是什麼力量使它們繞著太陽轉(zhuǎn)呢3. 周期與軌道半徑的關(guān)系（周期平方正比於軌道半徑三次方，這又是什 么作用的方式所形的呢?從這時(shí)起物理學(xué)家們已經(jīng)真正開始踏上發(fā)現(xiàn) 萬有引力的征程了！到17世紀(jì)后半期，已有一些學(xué)者，其中包括

3、著名物理學(xué)家胡克。 認(rèn)為天體之間存在著相互作用的引力，行星的運(yùn)動(dòng)是由太陽對它們的 引力引起的。胡克等人甚至推測到太陽對行星的引力的大小跟行星與 太陽之間的距離的平方成反比，但是他們都不能證明行星所做的橢圓 運(yùn)動(dòng)是平方反比律的，對引力大小的數(shù)量級(jí)也一無所知。1684年， 這個(gè)問題在英國皇家學(xué)會(huì)爭論頗為激烈，天文學(xué)家哈雷和數(shù)學(xué)家雷恩 都不能解決這個(gè)疑難，胡克雖然聲稱他已得解，卻拿不出一個(gè)公式.而萬有引力之父牛頓卻成功的拿出了公式，他是怎么得到的呢？他從1665年開始研究引力問題牛頓了解伽利略早先所發(fā)展出 來的慣性觀念，他知道在不受外力作用的情形下，動(dòng)者恒做等速度直 線運(yùn)動(dòng)。他也知道若一個(gè)運(yùn)動(dòng)中物體

4、的速率或運(yùn)動(dòng)方向有了變化，其 中必定有力的作用。他也已知道，由海更士提出“一物體要作圓周運(yùn) 動(dòng)需要施一個(gè)向中心的力量”的理論。由天文看，行星繞太陽運(yùn)動(dòng)也 應(yīng)需要一向心的吸引力量，可是，這個(gè)力到底是什么？牛頓先從地球?qū)υ虑虻奈胧?，他比較了掉落中的蘋果與掉 落中的月亮，后來牛頓了解到，如果月亮沒有朝著地球掉落的話，它 將會(huì)做直線運(yùn)動(dòng)，最后則會(huì)脫離繞地軌道，所以他認(rèn)為月亮正繞著地 球而掉落。因此，月亮必定掉落在那條沒受到外力時(shí)應(yīng)該會(huì)走的下方。 牛頓大膽地假設(shè)，月球在重力的吸引下，只是一個(gè)繞著地球轉(zhuǎn)的拋體 而已。至於月球的切線速度是怎麼來的，可能就是在宇宙大霹靂、創(chuàng) 世之時(shí)就決定了，而月球的切線

5、速度大小將會(huì)決定它繞地球的軌道是 圓形、橢圓形、拋物線、雙曲線或是撞上地球。既然地球的引力能延伸到月球上，則這種引力就是使月球沿圓形 軌道運(yùn)動(dòng)的向心力。再聯(lián)想到伽利略的拋物體運(yùn)動(dòng)，那么月球繞地球 的運(yùn)動(dòng)就如同一個(gè)拋物體繞地球的旋轉(zhuǎn)。為證實(shí)這個(gè)假設(shè)，于1666 年得到了與惠更斯相同的一般圓周運(yùn)動(dòng)的向心力定律，并根據(jù)開普勒 第三定律推算，一個(gè)物體繞一個(gè)中心物體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)它的向 心力的大小與兩個(gè)物體中心之間的距離平反成反比。到1684年，他 已可以把這個(gè)引力關(guān)系推廣到太陽系。后來，他又想到這種情況是否也適用于宇宙中的一切物體呢？于 是他又用自己發(fā)明的微積分方法證明任何兩個(gè)物體間的相互作用力 都可以用它們質(zhì)心之間的作用力來代替。每個(gè)物體都會(huì)吸引其他物 體，而這股引力的大小只跟物體的質(zhì)量與物體間的距離有關(guān)。牛頓的 萬有引力定律說明，每一個(gè)物體都吸引著其他每一個(gè)物體，而兩個(gè)物 體間的引力大小，正比於這它們的質(zhì)量，會(huì)隨著兩物體中心連線距離 的平方而遞減。牛頓為了證明只有球形體可把“球的總質(zhì)量集中到球 的質(zhì)心點(diǎn)”來代表整個(gè)球的萬有引力作用的總效果而發(fā)展了微積分。 然而不管距離地球多遠(yuǎn)，地球的重力永遠(yuǎn)不會(huì)變成零，即使你被帶到 宇宙的邊緣，地球的重力還是會(huì)作用到你身上，雖然地球重