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万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

牛顿的苹果故事想必大家十分的清楚,可以说是一件科学界的佳话。说的是牛顿本人在1665年到1666年,这一年半的时间内在家里躲避鼠疫;

牛顿的苹果故事想必大家十分的清楚,可以说是一件科学界的佳话。说的是牛顿本人在1665年到1666年,这一年半的时间内在家里躲避鼠疫;

某天牛顿在自己家后院的一颗苹果树下思考问题,被落下的一颗落下的苹果砸中了头部,突然灵光一闪,苹果为啥不往上跑、不斜着走,非要落向地球中心方向呢?

于是就有了万有引力。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

这个故事听起来确实脍炙人口,十分的美好,但是你想想万有引力是万物表象背后的真理,虽说是事物的本质属性,可这个真理隐藏的十分深刻,岂是一颗苹果就能把牛顿砸清醒的?

而且你想想除了苹果,你能相信牛顿在生活中再也没看到其他物体下落的景象吗?显然不可能,任何时候牛顿都能看到物体朝向地球中心下落!

那为什么是一颗苹果铸就了牛顿神话呢?而不是一个杯子、一支笔呢?很显然这个神话它就只是个神话,让小孩子看一看还行,要真正的了解科学,我们就必须知道牛顿本人到底是怎样发现万有引力的。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

首先说下牛顿的苹果神话是怎么来的?这件事其实还真不是坊间传闻,而是牛顿本人晚年的时候亲口告诉别人的,而且和他有亲缘关系的后人也这样说过,包括牛顿的同乡写的牛顿传记也是这样介绍。

所以说可以肯定的是,苹果砸头这件事就是牛顿本人亲口说出来的。那么问题是牛顿为何要编造一个苹果神话呢?这个我们后面再说。

我们知道任何科学理论的出现他都不是凭空产生的,它一定有前人努力和贡献。万有引力也是一样的。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

在牛顿之前有很多伟大物理学家、天文学家已经为牛顿理论的出世创造了基础,这一点牛顿本人也说过,这句话大家也十分熟悉:要是我比别人看的更远,那是因为我站在了巨人的肩膀上。

那么牛顿所说的这个巨人到底是谁呢?我认为有三个:开普勒、伽利略和笛卡尔。

这三个人的贡献基本上就预示着新的物理学即将诞生,呼之欲出,而缺少的正是牛顿这样集大成者的天才。

你看,日心说统治人类将近2000年的时间,直到1543年哥白尼出版了《天球运行论》,把地球和太阳的位置调换了一下。

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日心说就诞生了,当时哥白尼的日心说依然延续地心说的匀速圆周运动轨道,也就是各大行星的轨道依然是正圆,且匀速绕太阳转。

这样的模型虽说离真相近了一些,但是它并没有比当时托勒密的本轮模型对天体运行的预测更加准确。因此这个模型它不完善,显然存在很大的问题。

这个时候开普勒就出现了,他通过从第谷·布拉赫那里得到的大量观测数据,通过拟合猜测的方式将行星运行轨道规定为椭圆,而太阳就处在椭圆的焦点之一。

这个就是开普勒行星运动第一定律,还有第二第三定律,这里就不赘述了。

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开普勒定律的提出通过应用在太阳各大行星、以及彗星上算出来的天体运行轨道和当时已知的数据都匹配的非常好。

这说明开普勒的日心模型才真正的准确的描述了太阳系行星运动的真实情况。但开普勒的定律只能说是还处在事物的表象之上,属于经验理论。

他不能解释宇宙天球被打破以后为何行星还要绕太阳运动,为什么行星的轨道是椭圆的?等一些问题,因为这些问题都涉及到了事物的本质原因,也就是其背后真正的科学理论,而不是经验规律。

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所以说开普勒三大定律提出以后,一开始并没有多少人相信,毕竟你没有完全解答人们心中的疑问。

不过随着伽利略1609年对木星卫星的发现,以及对金星相位变化的发现,人们开始逐渐接受了日心说,1631年人们更是利用开普勒定律预测出了以前从来没有观察到的金星和水星凌日现象。

至此人们总算是接受了开普勒创造的太阳系模型,但是这样的话就有一个问题需要整个科学界来为此寻找答案。那就是新的宇宙模型就需要新的物理学来作为支撑,以解答开普勒留下的疑难杂症。

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这里再说下伽利略,他在力学上的贡献还是颇大的,著名的比萨斜塔实验(斜面实验肯定是做过)就推翻了亚里士多德关于物体受迫运动、力是维持物体运动的说法。

而伽利略认为力只是改变物体速度变化快慢的原因。这一点对牛顿来说非常重要,因为它离牛顿第二定律已经非常接近了。

下面还要说的就是17世纪的一位天才笛卡尔。他是现代物理学革命的先驱,是牛顿力学坚实的奠基者。

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他提出了宇宙是由物质和运动构成的,仅此而已。这个思想就打破了亚里士多德认为的天和地的差别。也就是说,我们在地球上可以解释事物的理论同样也可以用在天上,没有所谓天地之分。

天和地都是一样的,遵循同样的物理定律。

这一点也很重要,因为这个想法就促成了牛顿敢把苹果和月球同等对待,敢把苹果下落受的力延伸到月球、延伸到各大天体之上。

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笛卡尔除了以上的思想外,他还提出宇宙中物体的运动能够自己维系,且数量守恒。有没有觉得这个很熟悉,没错这就是惯性定律,也是牛顿第一定律。

所以说牛顿的成功除了他天才般的见解外,其实前人已经为其做足了充分的准备。

现在来说说牛顿。他真的是前无古人后无来者、几百年难得一遇的天才。不管走到哪里都是那么突出、优秀,那么的光彩夺目。

牛顿1661年在剑桥三一学院学习的时候,基本上都是自学,学校教的那些根本就不入他的眼,他自学吸收了当时天文学、哲学、数学最新、最前沿的理论。

当然以上我说的哪些前人的贡献,牛顿肯定都了如指掌,并且有自己更高超的见解。他也知道新的科学需要解决哪些问题。

而且牛顿三大定律的得出对牛顿来说简直是易如反掌,这没啥难得,总结前人完全可以提出牛顿三大定律。

得出物体的运动规律。

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并且当时所有顶尖科学家都知道地球上的物体自由落体是因为受到了一种力,这种力改变了物体的状态,而这种力是什么?如何用数学描述才是最关键的问题。

很明显这种力是一种超距作用,物体之间不用相互接触,看不见摸不着就可以相互影响。这在当时除了牛顿敢把这件事当真以外,其他人还真没这个魄力。

我们知道牛顿除了科学以外,他最大的爱好就是烧炉子、搭个锅,搞自己的炼金术。他相信那种神乎其神的事情,有人说牛顿是人类历史上最后的一位魔法师。

所以这样的牛顿在面对超距作用的时候他心理是不排斥的。他相信由自由意志的上帝掌控的宇宙这根本不算啥。就算是亚里士多德也不敢相信超距作用这件事。

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所以牛顿在1665年在家里躲避瘟疫的时候,就做了大量的计算,他想看这个超能否解释月球的运动,于是就将导致苹果下落的力延伸到了月球。

首先他推导出了离心力公式,测量了地球的重力加速度(通过单摆),然后把月球的质量乘以地表的加速度就算出了月球在地球表面受到的重力。

然后根据离心力公式算出了月球的离心力,最后得出的结论是月球在地表的重力等于4325倍的月球离心力。

然后他又根据开普勒第三定律推出了平方反比公式。也就是这个超(引力)的大小和物体距离的平方成反比。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

因为当时已知的地月距离是地球直径的60倍,因此得出月球在地球表面的重力应该等于3600倍的月球离心力。当时牛顿所使用的数据包括月球的质量、距离、公转周期都不是很准确。

他这样一算有点懵了,这两个数值不相等啊,当时他心里就想也许这个超距作用力并不能解释天体的运动。

然后就把这个问题搁置了。所以说在瘟疫期间牛顿根本就没搞清楚引力是咋回事。根本就没算到一块。所以说就不存在苹果神话。

牛顿在接下来的几年虽然对这个问题有过思考,但是他还是喜欢炼金术,在科学上相比于引力问题,牛顿也更喜欢做光学实验,所以可以说他的工作重心就没在引力上。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

让牛顿重新捡起引力问题是在1679年胡克给牛顿的来信中,表露出了他也在研究这个问题,我们知道牛顿和胡克两个人因为光学问题结下了梁子,这两个人可以说是命中相克,眼里谁也容不下谁。

所以说胡克的来信就刺激到了牛顿,在接下来的几年里牛顿就对引力问题重新做了思考和计算。当然这个计算结果已经离真理非常近了,但可能还存在一些问题。

而直接导致牛顿万有引力诞生的人是埃德蒙·哈雷。

哈雷比牛顿能小个十来岁,但这时的哈雷已经是牛津大学的天文学教授,他主要研究的目标就是彗星,他想证明历史上人们观测的好几次彗星记录其实都是一颗彗星的回归。

但是面对彗星如此奇怪的轨道犯了难,其实当时哈雷、胡克等人已经知道了行星受的力与距离成平方反比的关系。也就是说他们通过开普勒第三定律也同样推导出了这个结果。

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但是他们的数学能力不行,无法做出严格的数学演绎和推导过程,因此无法证明平方反比力必定会导致行星以椭圆轨道绕太阳运行。

因此哈雷只能到剑桥拜访牛顿,牛顿的数学能力那是出了名的好,哈雷问牛顿:假如行星受到的力,与其距离的平方成反比,那么行星的轨道是何种曲线?

牛顿当时就脱口而出,肯定是椭圆,我已经算出来的。牛顿当时说自己的演算结果丢了(他自己觉得算的有问题),但是给哈雷保证能立即重新算出来把结果发给哈雷。

就这样,在哈雷的推动下,牛顿觉得自己的想法没有错,他一开始通过炼金术的直觉相信的超距作用力没有问题。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

接下来的三个月牛顿把自己最爱的炼金术也扔下了,炉子也不烧了,这三个月牛顿像是开了挂一样,通过严谨的数学演绎,严格的证明了任何做椭圆轨道运动的天体都会受到一个与距离呈平方反比的力,当然受平方反比力的物体必定做椭圆运动。

哈雷看了以后惊叹牛顿神一般的数学能力。

而且牛顿还用自己发明的微积分证明了万有引力公式的r,是两个天体中心之间的距离。

在哈雷的支持下,牛顿在1687年发表了他的成果,就是那本旷世巨著《自然哲学的数学原理》。这是人类历史上第一套完整的自然科学理论,也人类历史上第一套完整的力学体系。

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

牛顿也是人类历史上第一次用更基础、更深刻的科学规律推导出了当时已知的所有经验规律,万有引力结合三定定律,完全可以推出开普勒的三大定律。

也解释了开普勒三大定律遗留下的问题,让人们知道了行星运动背后更加本质的原因。

当然哈雷也利用牛顿的理论完成了自己对彗星轨道参数、周期的精确计算,跟哈雷猜测的一样,人类在1682年、1607年、1531年发现记录的彗星确实是同一颗。

而且利用牛顿理论预言了这颗彗星将在1758年12月25日回归。这就是有名的哈雷彗星。预计下次回归在2062年。

这就是牛顿万有引力诞生的过程,不仅有前人的努力和垫底,还有他炼金术的一些直觉,而且也花了牛顿整整20年的时间,一颗苹果能砸出引力理论?这你敢信?

万有引力理论是怎样诞生的?一颗苹果真能砸出引力理论吗?

那牛顿晚年为何要编造这个神话呢?前文说了,在牛顿发现万有引力的过程中,其他的科学家也在研究,毕竟平方反比力当时不仅是他一个人推出来了。

而且牛顿本人和别人、尤其是胡克互掐贯穿了他的一生,因此晚年直接说他是在瘟疫期间被苹果砸了以后发现的万有引力,可以一劳永逸的解决后世的争论。

其次就是牛顿本人自大、骄傲,比较喜欢自我美化,因此编造这样的神话也很符合他的风格。

最后这样的神话可以掩盖他在研究计算万有引力的过程中,受到炼金术启发这件事。一个苹果就可以解决以上所有的问题。

牛顿一生都在掩盖他的这种兴趣爱好,他相信神秘的力量、相信上帝之手的存在。

就算是他的理论当时已经完美的解释整个宇宙,但牛顿依然认为仅凭引力是无法保证太阳系运转的,必定还有上帝之手的参与。

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