牛顿对万有引力的探索 帮助牛顿发现万有引力的不只是那颗苹果

二十世纪五十年代，纵观天边的星辰与手中的小球，暗藏其间的秘密一个接一个地慢慢浮了出来。上至教皇牧师，下至平民百姓，整个世界为之惊惶、惊动、窃喜。然而，这些秘密相互之间又有着怎样的联系呢?

后文艺复新时期，伽利略、开普勒、笛卡儿等众位思想者以各自毕生的努力共同唤醒了沉睡千年的科学巨人。巨人缓缓从大地爬起，他挺直腰板、张开双臂，准备拥抱即将到来的黎明。此时，一个顽皮的小孩悄悄地站上了巨人的肩膀，好奇地向着远方眺望……

1642年的圣诞夜(儒略历)，一个孱弱的早产儿降生于英格兰林肯郡乡下的伍尔索普庄园，看着这个小小的婴孩，邻居们最为揪心的是他能否挺得过残冬。不过，他的母亲汉娜·艾斯库(Hannah Ayscough)还是依照当地习俗早早为孩子起好了名字：艾萨克·牛顿(Isaac Newton)，同他无缘谋面的父亲一模一样。

说到这里，让我们乘坐时光机回到鼠疫肆虐的1665—1666年——牛顿一生中最快乐的时光——跟随这个治学天分与怪诞脾性皆初露端倪的年轻小伙来一场思维冲浪吧。

由伽利略惯性定律可知:改变物体运动状态的唯一方式就是施加外力。如果物体运动速率骤然加快，那就说明在它运动的同方向存在一个作用力;反之，如果速率减慢，则存在一个反方向的作用力。此外，牛顿意识到，还有一种可能:如果出现一个与运动方向既不完全一致、也不完全相反的力，它与原先的直线轨迹有一个倾斜的交角的话，那么物体的速率和运动方向都将受到影响。

将其推演至星空，牛顿领悟到，假若没有外力在一旁推动，行星只会沿直线奔跑，即便偶然获得机会靠近太阳也只能遗憾地与之擦肩而过，终老不再相见。而要形成开普勒笔下的椭圆轨迹，就必须有一个垂直于行星运动方向的外力在鞭策着它——把直线扭弯——一个指向太阳的无比强大的拉力！由此，牛顿做出了更大胆的猜测:太阳本身就是这个永恒之力的源泉。

为考核该观点，让我们把目光暂且从太阳系收回，望向地球身边最忠实的伴侣:月球。

月球为什么要绕着地球运行，难道它也感受到一个指向地球的作用力?凭借多年积累的数据，我们不难确证:月球环绕地球的运行模式恰与行星环绕太阳有着惊人的相似。

如下图所示，月球正沿着水平的初速度v0向前奔去。若与此同时，它感应到来自地球的呼唤，一股与其运动方向垂直且直指地心的强大吸引力。那么，在该作用力的驱使下，月球将不得不时刻调整自己的运动状态，朝着地球表面靠近一些，再靠近一些……

也就是说，在外力的作用下，月球每走一步便与地球更亲近了一层，可它为什么始终没有落到地球表面呢?

把镜头拉至外太空，当画面覆盖了足够宽广的区域，你将发现，地球表面正以大幅度的弯曲来避开月球的亲吻！这个使得地表得以顺利摆脱月球的追逐的法宝叫做“表面曲率”，曲率越大，物体表层就卷曲得越为猛烈。这场你追我逃的竞技终会在一种微妙的状态下找到平衡，那就是:月球围绕地球形成一条闭合的椭圆轨道，周而复始地旋转。

现在，让我们把目光复又收近，再近一点……近到立在你身旁的苹果树。相对于整个地球，一块极小的地面的弯曲度完全可以忽略不计。此时，若有个苹果忽然脱离枝干，由于不具备初速度，在引力的作用下，它只能义无反顾地奔向大地。

而地面则由于曲率为零，再也无法依靠弯曲来躲避追逐，只得张开怀抱，迎接苹果的到来。只听“砰”的一声，苹果与大地相撞，惊醒了沉思中的牛顿……

月亮与苹果，它们都不由自主地向着地球跌落，那是因为二者皆受到一股直指地心的吸引力。于是，牛顿进一步假定:如果质量确实是上述所有作用力的幕后操纵者，那么不但太阳、地球、月亮，就连一个苹果、一粒尘埃……但凡拥有质量者，皆能散发出吸引力。

至此，源自质量的吸引力，这一无影无形却又无处不在的幽灵终于露出了庐山真面目。原来，遥不可及的星辰与近在咫尺的苹果竟都受制于同一种作用力，牛顿把那主宰万物的伟大力量命名为了“万有引力”。

文源:《时与光：一场从古典力学到量子力学的思维盛宴》

版权归原作者所有

编辑：祁蕊

相关推荐

作者：棽棽

清华大学出版社出版