科學(xué)認(rèn)識(shí)君的《通俗物理100課》系列
【第四課：引力理論發(fā)展簡(jiǎn)史】
想必大家對(duì)萬有引力理論再熟悉不過了。我們都知道有質(zhì)量的物體會(huì)相互吸引，這是引力的精髓思想。但要是僅知道這點(diǎn)東西，那么你對(duì)引力的認(rèn)識(shí)還很膚淺。
在牛頓功成名就之后，他曾說過這樣的名言，“如果說我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?。誠然如此，在牛頓之先，前人已經(jīng)探索了萬物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
不管是古代東方還是西方，都有類似天圓地方的自然理念。那時(shí)候的人類無不認(rèn)為浩瀚無垠的星空都是繞地面旋轉(zhuǎn)著，多彩的繁星是神創(chuàng)造給人類的黑夜點(diǎn)綴。
可是哥白尼的出現(xiàn)，讓地心論第一次感受到了危機(jī)。哥白尼發(fā)現(xiàn)，如果所有的天體繞地球旋轉(zhuǎn)，那么星體的運(yùn)動(dòng)軌跡就復(fù)雜無比。倘若星球繞太陽旋轉(zhuǎn)，那么事情就簡(jiǎn)單得多。
本著“如了無必要，勿增實(shí)體”的哲學(xué)理念，中年時(shí)期的哥白尼提出了日心說。但擔(dān)心遭到教會(huì)的迫害，就辯稱自己的理論不違背《圣經(jīng)》 。盡管認(rèn)慫了，他依舊憂心忡忡，畢竟在那個(gè)年代，敢質(zhì)疑教會(huì)的人只會(huì)遭到火刑的懲罰。哥白尼直到晚年才發(fā)表了自己的《天體運(yùn)行論》，日心說的思想被廣泛傳播開來了。
哥白尼的繼任者是布魯諾，這家伙比哥白尼的思想還激進(jìn)。他不僅承認(rèn)日心說，甚至還提出了超前沿的無限宇宙學(xué)說，認(rèn)為宇宙是無限大的，太陽只是眾多恒星的一個(gè)，宇宙中有無數(shù)多的“太陽”，地球和人類在宇宙中只是渺小的螻蟻。羅馬教廷聽了如此“混賬”的言論后火冒三丈，嚴(yán)刑拷打了布魯諾，逼著他懺悔。最后不屈不撓的布魯諾被活活燒死。
布魯諾之死，1600年
和布魯諾同時(shí)期的還有一個(gè)占星師，這就是第谷，他夜觀天象，天天研究天體們的運(yùn)動(dòng)。得出了大量的天體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，第谷認(rèn)為天上的行星的確繞太陽旋轉(zhuǎn)，但他卻不是哥白尼的簇?fù)碚?，第谷認(rèn)為即便天上的行星都繞太陽旋轉(zhuǎn)，但太陽卻會(huì)攜帶著眾多的“小弟”又繞地球旋轉(zhuǎn)，反正地球還是老大。第谷或許是吸取了教廷反對(duì)者的前車之鑒，不得不投靠地心說，畢竟活著不好嗎。值得一提的是，第谷這種“星繞日，日又繞地”的理論傳到明朝后，甚至一度被接納！
第谷有個(gè)助手，也是他的學(xué)生，叫開普勒。在第谷死后，開普勒繼承了第谷的研究。并提出了開普勒三大定律。
開普勒
他發(fā)現(xiàn)第一條定律：所有的行星都以橢圓軌道繞太陽旋轉(zhuǎn)，太陽處于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。
太陽位于其中一個(gè)焦點(diǎn)
第二條：行星距離太陽近時(shí)就運(yùn)動(dòng)得快，遠(yuǎn)時(shí)則快，并且單位時(shí)間內(nèi)行星掃過太陽的面積相等。
單位時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等
第三條：任何兩個(gè)行星的周期T的平方正比于它們各自軌道半長(zhǎng)軸a的立方，所以常數(shù)k=a3/T2
開普勒第三定律動(dòng)態(tài)演示圖
以上是牛頓之前，西方對(duì)天體的研究簡(jiǎn)史?；氐降孛嫔希だ赃@時(shí)候察覺到了一個(gè)極其重要的規(guī)律。他認(rèn)為，如果一個(gè)物體沒有受到任何外力的干擾，那么該物體就會(huì)永遠(yuǎn)保持最初的狀態(tài)。一個(gè)物體起初靜止，若沒有外部干擾，它就永遠(yuǎn)靜止。如果物體起初就運(yùn)動(dòng)著，若沒有外部干擾，那它就一直保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。這就是慣性定律的雛形，可是伽利略并不清楚其中的緣由。
這時(shí)候壓軸大神登場(chǎng)了。牛頓結(jié)合開普勒的三大定律和伽利略對(duì)慣性的思考提出了驚人的萬有引力定律。
牛頓
牛頓在想，為什么地球不是勻速直線運(yùn)動(dòng)在宇宙中？地球貌似沒有受到任何外力啊，地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，肯定是一種力施加給了地球，這個(gè)力是太陽給的嗎？ 當(dāng)牛頓的看到蘋果落地之后，啟發(fā)性的認(rèn)識(shí)到萬有引力后。這時(shí)候他才知道，太陽也給地球施加了引力。
地球吸引了蘋果，在引力的作用下，蘋果落地了。那太陽也給地球一個(gè)力，為啥地球不落向太陽呢？
牛頓認(rèn)為地球也會(huì)落向太陽，但地球一開始就有一個(gè)初速度，在引力的作用下，地球偏離了原有的初速度方向而落向太陽，就和平拋運(yùn)動(dòng)一樣，不過由于地球初速度比較大，導(dǎo)致地球繞太陽一周都沒有落到太陽表面，于是地球就繞太陽旋轉(zhuǎn)了。
結(jié)合開普勒定律，牛頓認(rèn)為兩個(gè)物體距離越遠(yuǎn)，其吸引力越小，所以引力大小和距離的平方成反比。如果兩個(gè)物體質(zhì)量越大，其吸引力就越大，所以引力大小和彼此的質(zhì)量乘積成反比。
萬有引力公式
為了讓萬有引力的力和牛頓第二定律的F=ma統(tǒng)一起來，就需要一個(gè)引力常數(shù)。后來卡文迪許通過扭秤實(shí)驗(yàn)精確的測(cè)量出來了引力常數(shù)G，這樣萬有引力公式就完美了。有了常數(shù)G，人類終于計(jì)算出來了地球的質(zhì)量。
牛頓提出萬有引力之后，陷入到一個(gè)更深度的問題中。是什么推動(dòng)了引力？牛頓的答案就是上帝。還有一個(gè)問題羈絆著牛頓，這個(gè)問題甚至為相對(duì)論的建立埋下了伏筆。牛頓在思考，在宇宙深空中，兩個(gè)星球的引力是通過什么傳遞的？生活中你要搬動(dòng)一張桌子，就要接觸到它，不可能憑空移物，這時(shí)候手就是力傳播的介質(zhì)；吹滅蠟燭，是因?yàn)樽彀拖劝蚜鹘o了空氣，空氣的氣流再把蠟燭撲滅；在水面上放一個(gè)小球，攪動(dòng)水面，小球就會(huì)被動(dòng)顛簸起來，這時(shí)力的傳播借助的是水，我們很容易得出這樣的結(jié)論：力傳播的介質(zhì)必須是物質(zhì)。
而在宇宙中，一個(gè)星球和另一個(gè)相隔那么遙遠(yuǎn)，彼此還有一種吸引力，那么誰來充當(dāng)引力傳播的介質(zhì)？ 反正真空是不可能傳遞力的，引力作用也不可能是超距作用，那這個(gè)介質(zhì)又由誰來充當(dāng)？這時(shí)候牛頓就借助了亞里士多德的以太概念，牛頓讓以太這種“物質(zhì)”勝任引力介質(zhì)的艱巨任務(wù)。牛頓認(rèn)為：正是宇宙中充滿了看不見摸不著的以太，才使得引力的傳遞有了介質(zhì)。以太就是引力作用的傳播者。
充滿“以太”的宇宙
就是這個(gè)以太，可把后來的物理學(xué)家“害慘了”（調(diào)侃而已，以太也間接地促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展）。光說無憑，你倒是驗(yàn)證?。『笕擞昧?00多年的時(shí)間，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，反正就是找不到以太的存在證據(jù)。其中有個(gè)邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)還直接否定了以太的存在。這時(shí)候牛頓的萬有引力赤裸裸地變成了“超距作用”，沒有人愿意相信這一切，連牛頓本人也不愿相信。用網(wǎng)絡(luò)流行語來說，牛頓終于把引力理論變成了自己不愿相信的理論了。在微觀領(lǐng)域，伴隨著量子力學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)瞬間有涼涼的節(jié)奏。
直到1915年，愛因斯坦提出了新的引力理論，也就是時(shí)空彎曲理論才解決了引力的介質(zhì)問題。
在時(shí)空彎曲理論中，壓根就不需要什么以太充當(dāng)引力的介質(zhì)。因?yàn)檫B引力都是表象，本質(zhì)是時(shí)間和空間的彎曲。太陽的巨大質(zhì)量導(dǎo)致周圍的時(shí)空彎曲的異常明顯，而地球又在太陽周圍的彎曲時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，就不得不沿著彎曲的時(shí)空前行。地球就相當(dāng)于車輛，時(shí)空就相當(dāng)于道路，道路都是彎曲的，在其中行駛的車輛路徑怎么可能不彎曲呢！所以地球就顯得繞太陽旋轉(zhuǎn)，就好像有一種力拽著地球一樣，這就體現(xiàn)出了所謂的引力。
時(shí)空彎曲
現(xiàn)在我們依舊接納牛頓力學(xué)，只不過把它從神壇中拉了下來，在原子尺度以下和光速10%之上的領(lǐng)域把牛頓除名了！當(dāng)然，牛頓力學(xué)依舊在低速，宏觀領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
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