科学百科 | 万有引力的诞生

被苹果"砸”出来的定律

在英国北部林肯郡,有一个名叫乌尔斯索普的村庄。1642年12月25日清晨,艾撒克·牛顿就诞生在这个村庄里。牛顿从小就非常喜欢数学,并且注意观察周围的事物,他还喜欢动手制作各种各样的机械玩具。

牛顿勤奋好学,当他以优异的成绩考入著名的剑桥大学三一学院时,刚好19岁。学校强大的师资力量、浓厚的学术氛围及优良的硬件设施,为他提供了一个绝好的学习环境,使他受益匪浅。他在大学期间学习更加刻苦,悉心钻研数学、光学和天文学,这为他将来在物理学领域取得举世瞩目的成就奠定了坚实的基础。

艾撒克·牛顿是世界杰出的自然科学家,17世纪自然科学革命的首要人物。他在物理学、天文学、数学等领域都作出了卓越的贡献。他也因此而成为第一位被英王授予爵士头衔的自然科学家。

牛顿于1665年毕业后,被剑桥大学的研究室留用,他的科研生涯也从此开始了。不久以后,为了躲避一场传染病,牛顿回到了家乡——林肯郡乌尔斯索普。一天,牛顿在一棵苹果树下专心思考问题,忽然一个苹果从树上掉下来,刚巧落在牛顿的脑袋上。苹果落地本来属于一种平常的自然现象,

千百年来人们视为理所当然,从未想过其中的原因。而牛顿看着已滚落到一旁的苹果却陷入了深思。他想,苹果为什么不是向上飞去而是往下掉呢?如果说苹果往下掉是因为它有重量,那么重量又是如何产生的呢?他认为,也许有某种力量存在于地球上,能把一切东西都吸向它。每一件物体的重量,也许就是受这种地球引力而产生的。这说明地球和苹果之间互有引力,进一步来看,整个宇宙空间都可能存在这种引力。就这样,牛顿将思考的问题由一个落地的苹果引向了星体的运行。

根据牛顿运动第三定律,如果一个物体向另一个物体施加一个作用力,那么第二个物体就向第一个物体施加一个大小相等、方向相反的力,称为反作用力。

落体

引力作用于两个物体之间,并且把它们拉往一处。如果这两个物体的质量不相同,那么,这个不均衡的“拉力”会将较轻的物体拉向较重的物体。在地球上,我们会注意到,当物体往下掉的时候,总是朝向地球的方向落下来。大约在400年以前,意大利物理及天文学家伽利略对落体做了一项实验。最后,他发现地心引力使得任何物体落下来的速度几乎是一样的(之所以稍有不同,是因为不同物体所受空气阻力不同),即轻的物体和重的物体下落的速度相等。因此,在一个真空环境下,一片羽毛落下来的速度和一个苹果落下来的速度是一样的。

此后,牛顿继续对这个问题进行深入的探索和思考,他进一步推测:太阳对各个行星必定也有吸引作用,不然各个行星不会围绕着太阳运转。

牛顿在经过反复思考和探索后,得出结论:宇宙的定律就是质量与质量间的相互吸引。从恒星到恒星,从行星到行星,这样相互吸引的交互作用遍及整个宇宙,使宇宙间的任何一种事物都在既定的时间,依照它既定的轨道,向着既定的位置运动。这种存在于整个宇宙空间的相互吸引作用,牛顿将其称为“万有引力”。

自1665年开始,牛顿就用严密的数学手段对物体运动的规律和理论来进行进一步的研究和论证。牛顿从力学的角度分析后认为,开普勒所提出的行星运动的3个定律的基础都在于万有引力的作用。于是,牛顿决定从这些定律入手,通过一个定律的基础都在于万有引力的作用。于是,牛顿决定从这些定律入手,通过一系列严格的数学推论,用微积分证明:开普勒第一定律所表明的是,太阳作用于某一行星的力是吸引力,吸引力的大小与太阳中心到行星的距离的平方成反比;而开普勒第二定律则表明,作用于行星的力是沿着太阳和行星的连线方向,这个力只能起源于太阳;然而,太阳对于不同行星的吸引力都遵循平方反比关系,这则是开普勒第三定律要表明的。在这些论证的基础上,牛顿进一步分析研究天体运动,最终得出了万有引力定律。

《数学原理》一书被评价为科学史上最伟大的著作,在这本书中,牛顿为以后300年的力学研究打下了基础。

 

 

 

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