正文 第18章 萬有引力的發現(1 / 3)

有一則膾炙人口的故事。相傳,牛頓在年輕時,有一天正在院子裏的蘋果樹下讀書,突然從樹上落下一隻蘋果,掉在他身旁。他當時正在思考重力和行星運動的問題。蘋果落地引起了他的注意。他想,為什麼蘋果不飛向天空卻直落地麵?

地心引力和月球運動有什麼關係?為什麼蘋果會落地而月球卻一直在繞地球旋轉?這些問題引起了牛頓的深思,經過多年的研究,終於導致了萬有引力的發現。

蘋果落地的故事究竟是否真實,暫且不要管它。我們先簡單介紹牛頓的生平。

牛頓是英國著名物理學家、數學家和天文學家,出生於英國林肯郡伍耳索普的農民家中。他的幼年頗為不幸,出生前兩個月父親去世,又是早產兒,生性孱弱,三歲時母親改嫁,由祖父母帶大。他脾氣古怪,性格倔強,沉默寡言。他喜歡搞一些小器具,例如風箏、日規、滴漏、水車等等,自己設計製作。

他在學校裏成績並不突出,但好奇心非常強,很愛動腦筋。他博覽群書,並認真記筆記。1661年牛頓進入英國著名的劍橋大學三一學院學習。當時三一學院創辦有自然科學講座,內容包括地理、物理、天文和數學,由數學家和光學專家巴羅教授講授。牛頓對這些課程十分喜愛,如饑似渴地學習,表現了過人的才華。巴羅教授發現他是個奇才,就給予特殊指導,讓他讀了許多科學著作,從此牛頓登上了科學的殿堂。

1665年,倫敦發生鼠疫,牛頓回到家鄉住了18個月。他利用這段時間潛心研究。在這期間,他在數學上發現了二項式定理,創立了微分學和積分學,在光學方麵創立了顏色理論,在力學方麵研究了引力。這時他才二十二三歲。他以旺盛的精力從事科學創造,作出了許多科學成果。蘋果落地的著名傳說,就發生在這段時間。

牛頓最重要的科學貢獻是在力學方麵,發表了名著《自然哲學的數學原理》。他在書中全麵地論述了物體運動理論和物體在萬有引力作用下的運動規律。他係統地總結出了三個基本運動定律(後來通稱牛頓三定律),並且嚴格規定了質量、動量、慣性和力的定義,為經典力學理論體係奠定了基礎。

在這部著作中,牛頓正式提出了萬有引力定律。這時距倫敦發生鼠疫的年代已經過去了22年。根據牛頓的信件,可以證明在他年輕的時候(1665-1666)因避鼠疫在鄉下居住的一段時間裏確曾研究過數學和天文學,思考過引力問題並推出了引力的平方反比定律。

然而,人們要問:既然牛頓在1665~1666年就已經推算出引力平方反比定律,為什麼遲了20多年才發表?

我們要告訴讀者朋友們,牛頓受蘋果落地的啟示也許確有其事,但是牛頓發現萬有引力定律的過程卻遠不像人們想象地那樣一帆風順。

根據曆史文獻可以查證,牛頓在1665-1669年期間確曾從開普勒第三定律推出行星在做圓周運動時的“離心力”與行星軌道半徑的平方成反比。但是他推導離心力的思路非常奇特,物理意義含混不清,因為他當時對圓周運動的力學特征還沒有建立正確的概念,他還沒有認識到物體做圓周運動必須受相應的向心力作用。

甚至還有證據證明,年輕的牛頓當時還沒有認識到引力的普遍性。也許就是這些原因,牛頓一直沒有發表他推算出的平方反比公式。

1679年,這時牛頓已經將力學問題擱置了十幾年,在這以前,他發明了微積分,這一數學工具使他有可能更深入地探討力學問題。