牛顿发现万有引力的故事

牛顿发现万有引力的故事
牛顿发现万有引力的故事

牛顿发现万有引力的故事
牛顿的成就可以说是集前人之大成,他在开普勒、伽利略、惠更斯等人的工作基础上,将表面看来“互不联系”的力学知识,用数学方法把它们统一起来,揭示了物体运动的基本规律从而建立了经典力学.他的一生有很多伟大发现,万有引力定律就是他最伟大的发现之一.
大约是在1665～1667年间,有一天,牛顿坐在苹果树下思考地球的引力问题,突然一个苹果从树上落下,激起牛顿思潮翻滚.他想：苹果在空间,哪一个方向都可以飞去,为什么偏偏要坠向地面?地球和苹果是互相吸引的?行星绕恒星运转,也是互相吸引的?苹果落向地面的力和使行星保持在它的轨道上的力是否有关呢?
牛顿经过长期观察研究,产生了如下的假想：太阳、行星以及离我们很远的恒星,不管彼此相距多远,都是互相吸引着的,其引力随距离的增大而减小,地球和其他行星绕太阳运转,就是靠太阳的引力维持.同样,地球不仅吸引地面上和表面附近的物体,而且也可以吸引很远的物体（例如月亮）,其引力也是随着距离的增大而减弱.他在手稿中曾写到“就在这一年,我开始想到把重力引伸到月球的轨道上,……于是我把推动月球在轨道上运行的力和地面上的重力加以比较,发现它们差不多密合.”牛顿进一步猜想,宇宙同任何物体间都存在吸引力,这些力具有相同的本质,遵循同样的力学规律,其大小都与两者之间距离的平方成反比.
牛顿凭着他对于数学和物理的惊人才华.结合开普勒行星运动定律,从理论上推导出太阳对行星的引力F与两者距离r的平方成反比,还证明引力跟太阳质量M和行星质量m的乘积成正比,即
牛顿又研究卫星绕行星的运动,结论是它们之间的引力也是与行星和卫星质量的乘积成正比,与两者距离的平方成反比.
以上结论是否正确,还需要经过实验检验.牛顿根据当时观测到的地球和月球的有关数据,凭借理想实验巧妙地解决了这一难题.
首先牛顿根据月球绕地球运转的周期和轨道半径,从运动学的角度计算出了月球轨道的向心加速度
式中,ω为月球绕地球转动的角速度；T为月球绕地球转动的周期,T=2.36×106s；r月地为月球与地球的球心距离,r月地=3.18×108m.
然后,牛顿设想,如果把一个物体放到月球轨道上,让它绕地球运动,地球对它的吸引力就减小到F,它运动的加速度减小到a.既然物体在地面受到的重力G和在月球轨道上运行时受到的力F,都是来自地球的吸引力,那么在月球轨道上的加速度a和地面上的重力加速度g就应有如下的关系式：
进而从动力学的角度计算出月球轨道的向心加速度
由上可见,两者的计算结果惊人的一致.于是牛顿证实了他的关于地球和物体间,各天体之间的吸引力都属于同一性质的力,都遵从同样的力学规律的猜想是正确的.他把这种引力规律做了合理的推广,称为万有引力,并在1687年正式发表了万有引力定律.

许多介绍牛顿的书上都介绍过牛顿与苹果的传奇故事：1665－1666之间，由于剑桥流行黑热病，学校被迫停学，刚从剑桥拿到学士学位的牛顿也返回了家乡。一天，牛顿正坐在一棵苹果树下看书及思考问题时，这时，有一个苹果落了下来，这一下子启发了牛顿，这位当时年仅23岁的学生立刻想到，苹果一定是被地球的引力拉下来的，此后，经过多年努力，他终于完成了万有引力定律的阐述、数学证明与公式推导。
这个故事...

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许多介绍牛顿的书上都介绍过牛顿与苹果的传奇故事：1665－1666之间，由于剑桥流行黑热病，学校被迫停学，刚从剑桥拿到学士学位的牛顿也返回了家乡。一天，牛顿正坐在一棵苹果树下看书及思考问题时，这时，有一个苹果落了下来，这一下子启发了牛顿，这位当时年仅23岁的学生立刻想到，苹果一定是被地球的引力拉下来的，此后，经过多年努力，他终于完成了万有引力定律的阐述、数学证明与公式推导。
这个故事流传得非常广泛，不过，近来有一位历史学者提出异议，他认为所说并不是事实。他的根据如下：
把这个故事最早公诸于众的是法国作家伏尔泰 （Voltaire，1694－1778），他对牛顿的研究成果抱有极大热情，并曾积极予以宣传。1726年，他前往英国，当年写了25篇通讯，其中第15篇通讯中提到这个苹果落地的故事。他在文章中说，这个故事是听牛顿的侄女告诉他的。此时是1726年。
其后，在1752年，有一位比牛顿小45岁的牛顿的朋友（William Stukeley），在他的回忆文章中说，牛顿去世前一年，牛顿曾讲过这个故事，而牛顿是1727年去世的，就是说，牛顿在1726年自己也讲过这个故事。
因此，这位历史学者指出，在同一年（1726年），如果两个人都讲过，那么，到底是谁先讲的？所以，关于苹果的故事一定是瞎编出来的。有人认为，这个苹果的故事至少有两点与已经了解的历史事实不符：
第一，万有引力不是牛顿一个人的独立发现，而是历史上若干人的研究逐步探索、积累的结果，有的书上却把万有引力定律以牛顿名字命名，这是不行的；另外，把牛顿发现万有引力说成是由于受了苹果落地启发的自然结果，根据历史学者的观点，显然是对历史的严重歪曲。第二，在1665年，牛顿对天体的运动规律问题还没有完全搞清楚，如果承认这个苹果故事，不是等于把牛顿对万有引力的发现提前了至少20年吗？实际上，牛顿直到二十多年后才取得最终结论，并完成数学论证与公式推导。
持第一个观点的人认为，不能把万有引力定律成果归于牛顿名下，因为前人也付出过探索和努力。他们指出，万有引力发现的实际经过大致是这样的：
首先，开普勒（J.Kepler,1571－1630）最早在探索行星运动规律时，认为引力就是太阳发出的类似于磁力的流，这些磁力流沿切线方向推动着行星公转，其强度随离太阳的距离而减弱。开普勒还曾企图用磁作用机制解释椭圆轨道的产生。他还以月球与海水间的磁性吸引解释潮汐现象。
1645年，法国天文学家布里阿德（I.Bulliadus）提出一个假设：“开普勒力的减少，和离太阳的距离的平方成反比”。这是第一次提出平方反比关系的思想。
1661 年，英国皇家学会成立了一个专门委员会研究重力问题。罗伯特 胡克（Robert Hooke,1635－1703）、克里斯托夫 雷恩（Christopher Wren,1632－1723）、爱德蒙 哈雷（Edmund Halley,1656－1742）在引力问题的研究上都曾做出过贡献。据说早在1661年，罗伯特 胡克就觉察到，引力和地球上物体的重力应该是有着同样的本质。
在1674年的一次演讲“证明地球周年运动的尝试”中，胡克提出，要在一致的力学原则的基础上建立一个宇 宙学说，为此提出了以下三个假设：“第一，据我们在地球上的观察可知，一切天体都具有倾向其中心的吸引力，它不仅吸引其本身各部分，并且还吸引其作用范围 内的其他天体。因此，不仅太阳和月亮对地球的形状和运动发生影响，而且地球对太阳和月亮同样也有影响，连水星、金星、火星和木星对地球的运动都有影响。第二，凡是正在作简单直线运动的任何天体，在没有受到其他作用力使其沿着椭圆轨道、圆周或复杂的曲线运动之前，它将继续保持直线运动不变。第三，受到吸引力作用的物体，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至于此力在什么程度上依赖于距离的问题，在实验中我还未解决。一旦知道了这一关系，天文学家就很容易解决天 体运动的规律了。”胡克首先使用了“吸引力”这个词。他在这里提出的这三条假设，实际上已朦胧意识到有关吸引力的一些特性，只是他对引力与距离的关系还没搞清楚，另外，只是缺乏对引力的定量表述和论证而已。
1679年，胡克与牛顿之间进行了关于引力问题的交流，在1679年11月，牛顿致信胡克说：“自己关于发现周日运动的想象，即设想一个自由落体落到地球上，通过地面进入地球内部，而不受任何物质的阻碍，则该落体将沿着一条螺旋形轨道运行，在旋转数圈后，最终旋入（或十分接近）地心。”胡克回信说，物体不会按螺线运动，而是按“一种带椭圆状的曲线”运动，它的轨道将“像－椭圆”。1679年12月13日，牛顿写信给胡克说：“如果假定它的重力是均匀的，〔物体将〕不按螺线下沉那个真正的中心，而是以交替升降的形式运行。”
我们从后人清理牛顿同胡克的这些通信中看出，直至1679年，牛顿对落体引力的问题，还没有彻底解决，他还在考虑物体的重心偏心可能会使落体在下落过程中边旋转边落向地心，而胡克认为，该物体的运动轨迹应该是一个椭圆。从牛顿的角度来看，对于万有引力问题，与距离平方成反比是没问题了，牛顿正在考虑的是与质量的关系、及重心的偏心是否会对万有引力产生影响。还有，就是要用数学知识对万有引力作用下天体按椭圆轨道运行作出严格证明，对万有引力定律作出公式推导。胡克在信中曾向牛顿提出过这个问题，希望牛顿完成这个定律的数学证明与公式推导。因此，后来人们得出结论，一直到1685年，牛顿还没有解决这个问题。直到1686年，牛顿才最终解决了它，并且在哈雷的催促下，把这部分数学论证的内容一并加入《自然哲学的数学原理》一书。当胡克老先生看到这本书的书稿后，认为自己也应该有一分功劳，于是向年轻人牛顿提出，最好在书里把自己在这一方面的工作成绩提一下。后来有人气愤地指出，这个本来是合理的要求却遭到了牛顿的断然拒绝。因为牛顿曾向负责出版这本书的哈雷写信说，他不想给胡克任何荣誉，而且称在许多年前他就已经知道了引力作用，以及与距离平方成反比的关系。
老年时的牛顿有一段回忆说：“同年（1666年）我开始把引力与月亮轨道联系起来，并找出了如何估计一个天体在球体内旋转时用来趋向球面的力的方法，……， 最后在1676和1677年之间的冬天我发现了一个命题：利用与距离平方成反比的离心力，行星必然环绕力的中心沿椭圆旋转，……。” 牛顿的这段话指的是月亮轨道的推导及寻找行星绕太阳旋转的原因。有人说，与前面他在信中与胡克讨论落体问题相比较，可以看出在时间上是矛盾的：牛顿1677年研究的是月球轨道和行星轨道问题，而他1679年才研究质量对落体的影响，因此人们说，牛顿在这里是故意把他发现万有引力的时间改在1679年与胡克通信之前，而且造出苹果神话，其目的显然是为了要独吞万有引力这项成果。
牛顿和胡克之间的梁子，不仅表现在万有引力定律的争议上，最早表现在胡克对牛顿的光的微粒说有不同的看法，因为胡克对光的本质是站在波动说一边的。1673年，年轻的牛顿向皇家学会递交了他关于光的一篇论文，后来他又递交过第二篇论文，这些论文受到老先生胡克的批评，并且说论文的一些观点是抄袭他的。这使牛顿无比愤怒，虽经皇家学会调解，牛顿的怒气未消，于1675年2月向胡克写了一封回信。信中说：“如果我比笛卡尔看得更远，那是因为我站在巨人们的肩膀上。”许多人把这句话理解为牛顿的谦虚精神，而攻击牛顿者认为，这其实是他对胡克的一种讽刺和蔑视，完全不是人们望文生义的那回事。
据此，“倒牛顿者”认为：牛顿根本没把胡克和笛卡尔看作巨人一样尊敬，牛顿也没有攀登他们所搭的梯子，他说自己站在比梯子更高的巨人肩膀上，显然这句话是对胡克的人身攻击——胡克身材矮小。他们认为，牛顿的《光学》著作所以在1704年出版，就是因为牛顿为了等胡克去世后才敢出版他的书。
“倒牛顿者”进一步指出：牛顿独占了万有引力的成果后，还不足以解除对胡克的恨，当他于1703年被选为英国皇家学会的主席，就下令在皇家学会除去所有的胡克的肖像。所以当时英国许多著名的科学家中就是胡克的肖像没有留传下来。

收起

不管怎么样，他都是个跟地球有关系的人

http://baike.baidu.com/view/1511.htm#4

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