“在苍天灿烂的字符中,
我们长期浸沉于默默无言,
探索着命运的奥秘。
怎样的秩序,怎样的规律,
是否像在这里一样,
在星球中也统治者一切?”
自古以来,人类就对宇宙的结构、行星运动的规律不断地进行着思考。早在古希腊时期,许多学者就提出并完善了地心模型:地球处于宇宙中心静止不动,其他星球绕地运转。在随后的1300年中,“地心说”一直占统治地位。直到15世纪,在那个“谁发表谁灭亡”的宗教神学统治时期,哥白尼发表日心说,颠覆了人们的世界观。站在地表的视角,发现地球绕太阳旋转,哥白尼是有多猛!
到了15世纪中叶,由于“日心说”不能解释夏天开始后的半年比冬季开始后的半年长7天,行星是否绕太阳旋转出现了剧烈的争论。此时,出身贵族的第谷站了出来。他认为,与其进行冗长的哲学争辩,不如潜心观察研究。经过20年的观测,第谷留下了极为珍贵的、精确的天文观测资料。助手开普勒继承第谷的遗志,以其出色的数学能力,在第谷的天文数据中发现了优美的、简单的行星运动规律,这就是世人熟知的开普勒三定律:
1、行星的运行轨道是椭圆,太阳在椭圆的其中一个焦点上。
2、从太阳到行星做一条矢径,矢径在相等时间间隔内扫过的面积相等;
3、任何两个行星运行周期的平方正比于他们各自轨道半长轴的立方。
重读一下上面三条定律,大家会发现:第三条定律与前两条不是一个范畴。前两条定律只涉及单独的行星,第三条描述了一个行星与其他行星之间的关系,是在开普勒不断思考22年后灵光闪现的结果。
开普勒解决了一个问题,同时留下了一个问题:为什么行星按照开普勒三定律运行?关键时刻,巨人从不缺席。此时的意大利科学家伽利略正在研究运动的规律。他结合斜面实验,用想象力告诉了世人:物体在不受外力作用时,将保持静止或匀速直线运动状态。事实上,我们在地球上不可能观察到不受外界影响的运动。
牛顿使这个观念更加明确:改变物体运动状态的唯一方法是用力。如果物体速率变大,一定有一个力施加在运动方向上;另一方面,如果物体运动改变了方向,必定受到一个斜向的力。同时,力产生的加速度反比于质量(a=F/m)。就是说,对于一个给定的加速度,质量越大,需要的力越大。因此,要保持行星在轨道上运行根本不需要一个切向力。
凭借对运动定律的深刻理解,牛顿此时已意识到太阳可能是支配行星运动的机构。后来他证明了开普勒第二定律也就是面积定律,明确了所有力精确指向太阳这一结果。同时对比开普勒第三定律,行星越远,太阳的作用力越弱。分析距离太阳不同的两个行星的受力表明,力与行星各自距离的平方成反比(F∝1/R²)。把上述结论结合起来,牛顿推断说,必定存在一个力,它的大小反比于两个物体间距离的平方,方向沿着它们的连线。
作为一个对事物普遍性有非凡触觉的人,牛顿当然要作出这种假设:这个关系不仅限于太阳拉住行星,这类力是普遍存在的力——每个物体都吸引其他任何物体:月亮绕着地球转,苹果落向地表。那么问题来了:地球拉住苹果的力与地球拉住月球的力是否相同,就是说是否都与距离平方成反比。为了检验他的引力理论,牛顿计算了地面物体下落距离与月球下落距离的关系,发现结果与实际差异很大。万有引力定律就此按住没有发表。直到6年后,天文学家公布了重新测量的地月距离。牛顿用正确的数据重新进行了计算:地月距离是地球半径的60倍,月球下落距离是地表物体下落距离的1/3600,结果与平方反比率吻合的非常好。牛顿利用万有引力定律说明了木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律,还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现海王星。
万有引力定律是指宇宙中任何两个物体都相互吸引,引力的大小与两物体质量乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比,数学上陈述为:F=G
当你想到,整个宇宙能如此普遍而完整地遵循这样一个简洁而优美的定律,是不是要向大自然表示敬畏之意?!
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