万有引力发现历程

1、万有引力发现历程物理学的发端始于人类对理解星体运行的追求。三百多年前，万 有引力定律的发现堪称人类文明与理性探索进程中最壮丽的诗篇其 所体现出的科学智慧的震撼力，至今仍为世人所叹服。李政道先生在 回答是什么使他走上献身物理学研究的道路时曾说过，是物理学中那 些具有普适性的物理法则和概念深深打动了他，激发了他深入探究的 兴趣。万有引力定律就是这样一条具有简约性和普适性的自然法则， 它第一次把看似毫不相关的地上与天上运动统一起来，第一次揭示大 自然的对称和谐与物理规律表达简洁而含蓄的内在美，并作为牛顿的 “从运动现象研究自然力”的又一个科学思辨范例，而不断为历代科 学家所效仿。公元1543年哥白尼

2、提出天体运行论，以太阳为诸行星的运转中 心和地球自转来解释星象，对人类以自我为中心的宇宙观作了一个革 命性的改变。其后克卜勒分别在公元1609年提出行星运行第一、二 定律，公元1619年提出的行星运动第三定律，这三个定律揭示出几 个问题：1.行星的运动轨道可以是圆的，也可以是椭圆的，但什么样 的作用方式，可以形成这样的轨道运行呢?2.太阳处于椭圆一焦点 上，显示行星是绕著太阳的，但是什麽力量使它们绕著太阳转呢3. 周期与轨道半径的关系（周期平方正比於轨道半径三次方，这又是什 么作用的方式所形的呢?从这时起物理学家们已经真正开始踏上发现 万有引力的征程了！到17世纪后半期，已有一些学者，其中包括

3、著名物理学家胡克。 认为天体之间存在着相互作用的引力，行星的运动是由太阳对它们的 引力引起的。胡克等人甚至推测到太阳对行星的引力的大小跟行星与 太阳之间的距离的平方成反比，但是他们都不能证明行星所做的椭圆 运动是平方反比律的，对引力大小的数量级也一无所知。1684年， 这个问题在英国皇家学会争论颇为激烈，天文学家哈雷和数学家雷恩 都不能解决这个疑难，胡克虽然声称他已得解，却拿不出一个公式.而万有引力之父牛顿却成功的拿出了公式，他是怎么得到的呢？他从1665年开始研究引力问题牛顿了解伽利略早先所发展出 来的惯性观念，他知道在不受外力作用的情形下，动者恒做等速度直 线运动。他也知道若一个运动中物体

4、的速率或运动方向有了变化，其 中必定有力的作用。他也已知道，由海更士提出“一物体要作圆周运 动需要施一个向中心的力量”的理论。由天文看，行星绕太阳运动也 应需要一向心的吸引力量，可是，这个力到底是什么？牛顿先从地球对月球的吸引入手.，他比较了掉落中的苹果与掉 落中的月亮，后来牛顿了解到，如果月亮没有朝著地球掉落的话，它 将会做直线运动，最后则会脱离绕地轨道，所以他认为月亮正绕著地 球而掉落。因此，月亮必定掉落在那条没受到外力时应该会走的下方。 牛顿大胆地假设，月球在重力的吸引下，只是一个绕著地球转的抛体 而已。至於月球的切线速度是怎麽来的，可能就是在宇宙大霹雳、创 世之时就决定了，而月球的切线

5、速度大小将会决定它绕地球的轨道是 圆形、椭圆形、抛物线、双曲线或是撞上地球。既然地球的引力能延伸到月球上，则这种引力就是使月球沿圆形 轨道运动的向心力。再联想到伽利略的抛物体运动，那么月球绕地球 的运动就如同一个抛物体绕地球的旋转。为证实这个假设，于1666 年得到了与惠更斯相同的一般圆周运动的向心力定律，并根据开普勒 第三定律推算，一个物体绕一个中心物体作匀速圆周运动时它的向 心力的大小与两个物体中心之间的距离平反成反比。到1684年，他 已可以把这个引力关系推广到太阳系。后来，他又想到这种情况是否也适用于宇宙中的一切物体呢？于 是他又用自己发明的微积分方法证明任何两个物体间的相互作用力 都可以用它们质心之间的作用力来代替。每个物体都会吸引其他物 体，而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关。牛顿的 万有引力定律说明，每一个物体都吸引著其他每一个物体，而两个物 体间的引力大小，正比於这它们的质量，会随著两物体中心连线距离 的平方而递减。牛顿为了证明只有球形体可把“球的总质量集中到球 的质心点”来代表整个球的万有引力作用的总效果而发展了微积分。 然而不管距离地球多远，地球的重力永远不会变成零，即使你被带到 宇宙的边缘，地球的重力还是会作用到你身上，虽然地球重