点击右上角微信好友

朋友圈

点击浏览器下方“”分享微信好友Safari浏览器请点击“”按钮

正在阅读:牛顿的苹果 | ②万有引力的发现之争
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

牛顿的苹果 | ②万有引力的发现之争

来源:光明网2019-11-12 18:34

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  大家好,我是国家天文台的陈学雷,今天继续和大家讲述牛顿苹果的故事:万有引力的发现。

  虽然苹果的故事并非虚假,但它是否说明牛顿看到苹果之后就马上发现了万有引力呢?这就涉及到一个问题,即牛顿到底是何时发现万有引力定律的。这就与牛顿和胡克就万有引力发现贡献的争论有关了。

  胡克(Robert Hooke,1635-1703) 是个多才多艺的科学家,英国皇家学会的创始人之一,他作为显微镜的发明者和胡克弹性定律的发现者,在今天也是相当著名的。

  早在1662年,他和另一位皇家学会的创始人之一、后来以建筑大师而著名的莱恩(Christoffer Wren,1632-1724)就讨论了行星如何在轨道上运动。他猜想太阳和行星之间有相互吸引的力,这种力可能随着距离增加而减少。

  他还设计了一个简单的实验,检验重力是否随高度的增加而减小。他先用一个天平精确地称量一个铁球和一段绳索的重量之和,然后爬到大教堂的顶上,用那段绳索悬挂着铁球垂下,同时用天平称量看这种情况下总重量是否变化【文献1】。因为这种情况下,绳索的高度高于铁球,所以绳索受到的引力会小一些,这样有可能会比地面称量小一些。或者反过来说,在屋顶称量会重一些。当然这个实验的精度并不足以探测到任何差别。

  1666年,胡克在皇家学会宣读论文,1674年又出版了著作《证明地球运动的尝试》(An Attempt to Prove the Motion of the Earth from Observations),提出所有的天体都有一种指向其中心的重力,不仅吸引自己的各个部分使其不至飞散,且可以吸引位于其作用区域内的其它天体;物体在不受力的情况下做直线运动,在外力影响下才会偏离直线按曲线运动。他还提出太阳和行星之间存在的这种力随距离增大而减小,但在此书中他不确定是按照什么规律减小。

  我们可以看到,胡克比牛顿要长一辈。1661年,胡克开始考虑这个问题时,牛顿刚刚上大学。在1666年,胡克其实已经发表了结果,虽然据说牛顿是在1666年看到了苹果,但是他并没有立刻发表。

  到1684年1月,天文学家哈雷(Edmund Halley,1656-1742)与胡克、莱恩在皇家学会的会议上又讨论到行星运动问题。哈雷很年轻,他根据行星运动的开普勒第三定律,假定行星的轨道是圆的,可推测出行星受到太阳的引力反比于距离的平方。但是因为行星实际的运动轨迹是椭圆而不是圆,所以他并不能真正证实这一点。

  这时候,胡克声称他能够证明,在这种情况下行星运动的轨迹是椭圆。但是莱恩和胡克打了多年交道,知道他有时爱夸大其词,因此并不相信胡克有像样的证明。莱恩提出以两个月为期、一本书作为奖品征集这一证明。胡克表示他已有这个证明,但不打算立刻公布,因为这样人们就不会知道这个证明的难度。他说要等一段时间,大家都证明不出来,才能显示这个证明的难度。

  同年8月,哈雷正好来到剑桥,见到了当时在剑桥担任教授的牛顿。他们讨论了一些问题后,哈雷询问牛顿:如果行星受到太阳的吸引,且引力与距离平方成反比,行星的轨迹是什么样子?牛顿回答说是椭圆。哈雷问牛顿是怎么知道的,牛顿说他算过。哈雷闻言大喜,请牛顿提供证明,牛顿说他要找一下,但是第二天他却说没找到计算的论文,但可以能另外写一篇。

  实际上,后来人们在牛顿手稿中找到了他声称未找到的那篇论文,这篇论文中含有一些错误。人们猜测牛顿没有交出这篇论文,可能并不是没找到,而是因为他发现了里面有问题。

  而后哈雷回到伦敦。1684年11月,牛顿托人带了一篇9页纸的论文给哈雷,这是一篇拉丁文的论文,题为《论在轨道上的物体的运动》(拉丁文De motu corporum in gyrum)。文中牛顿证明了服从开普勒运动定律的物体受到一个指向椭圆的一个焦点,且与距离平方成反比的力,也证明了在平方反比力的情况下,物体最一般的运动轨迹是圆锥曲线。圆锥曲线包括椭圆,在有些情况下可以是抛物线或双曲线,这取决于物体运动的速度或者说能量有多大。

牛顿的苹果 | ②万有引力的发现之争

  牛顿《自然哲学的数学原理》第一版

  哈雷看到文章后很激动,立即动身前往剑桥与牛顿会面。他回来后向皇家学会报告了这一论文的情况,并说牛顿打算在继续修改完善后再在皇家学会正式宣读这一论文。但是,牛顿并未像哈雷预期的那样很快寄来修改稿。哈雷意识到这一发现的巨大意义,为了保护牛顿的发现优先权,他就将手上那份论文在皇家学会做了登记。

  为什么这时牛顿会很拖拉呢?是因为牛顿在写作中产生了巨大的创作热情,他不断扩充书的内容,从原来的简单专题论文,变成了完整阐述整个力学的三卷本巨著,也就是我们现在所熟知的《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)【文献2、3】,他夜以继日地工作了两年,直到1687年才完成此书,最后在哈雷的帮助下印刷出版。

  参考文献

  【1】钮卫星,《天文学史--一部人类认识宇宙和自身的历史》,上海交通大学出版社,2011.

  【2】Issac Newton, The Principia--Mathematical Principles of NaturalPhilosophy, translated by I. Bernard Cohen & Anne Whitman, University ofCalifornia Press, 1999。

  【3】牛顿,《自然哲学的数学原理》,赵振江译,商务印书馆,2019.

  主讲人简介

  陈学雷, 中国科学院国家天文台研究员,主要从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 重庆万州:两名新冠肺炎康复患者捐献血浆

  • 贵州兴义:扶贫车间复工复产促增收

独家策划

推荐阅读
载人版“龙”飞船由SpaceX为美国国家航空航天局开发,旨在送美国宇航员往返国际空间站,将在未来几个月内进行首次载人飞行。
2020-02-21 10:31
据美国《科学》杂志网站19日报道,欧盟委员会发布新计划称,将制定法律严格监管高风险人工智能(AI)技术,更新欧盟2018年AI发展战略,未来在AI研发领域投资数十亿美元等,以进一步促进欧盟AI产业发展。
2020-02-21 10:21
水稻对盐度变化极为敏感,由于气温上升、海平面上升和缺水等原因,欧洲传统种植水稻的河流三角洲地区的土地盐碱化现象正变得越来越严重。
2020-02-21 10:20
以色列理工学院的研究人员近日表示,他们开发了一种独立系统,能够从空气中包括在沙漠地区的空气中生产水。
2020-02-21 10:18
据物理学家组织网近日报道,一个国际科研团队进行了全面的研究,试图厘清活体脊椎动物预期寿命受何种因素影响。这些发现促使科学家们提出另一种假设:环境越热,冷血动物的生活节奏越快,导致衰老速度越快,寿命越短。
2020-02-21 10:17
东营是在黄河沙进海退之地上建起的新中国最年轻的城市,土壤盐渍化严重,生态承载力弱,过去被人们笑称“电线杆子比树多”……  二月的黄河口,以黄灰色调为主。
2020-02-21 10:16
《北京市污染防治攻坚战2020年行动计划》(以下简称“行动计划”)日前正式发布。继续聚焦重型柴油车,坚持“换、限、查、管”并举,力争实现全市交通领域污染物排放总量比2017年减少30%。
2020-02-21 10:15
1月,168个重点城市中,包头、临汾、呼和浩特市等城市空气质量相对较差;海口、拉萨、丽水市等城市空气质量相对较好。
2020-02-21 10:14
加强宣传,提高公众对火电厂污染物治理情况的知情度,有条件的火电厂实行“开放日”,鼓励公众走进电厂,了解电厂环保,提高公众对火电厂污染物治理认知,从而减少误解。
2020-02-21 10:13
病毒毒株为疫苗研制、抗病毒药物的筛选以及快速检测试剂的研发等奠定了基础。近日,安徽省疾病预防控制中心应用宏转录组基因测序新冠肺炎病例样本,顺利分离到2株新冠病毒毒株。
2020-02-21 10:11
2月19日,国家卫健委发布《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第六版)》及解读,病毒传播途径的表述中增加了“在相对封闭的环境中长时间暴露于高浓度气溶胶情况下存在经气溶胶传播的可能”。
2020-02-21 10:09
据武汉市水务局公布,武汉全力开展排水设施和污水处理设施消杀工作,截至2月18日,全市累计出动6520人次,累计投放消毒药剂1963.58吨。
2020-02-21 10:08
在发出《至暗时刻的一封信》半个月后,护肤品牌林清轩创始人孙来春终于可以肯定地说,他们自救成功了。2月19日,他发来两张店铺概念图:“接下来我们会把直播搬到线下门店,把部分门店变成一种新型的数字化直播门店。
2020-02-21 10:07
2月20日5时7分,长征二号丁运载火箭首次在西昌卫星发射中心点火升空,成功以一箭四星方式,将4颗新技术试验卫星送入预定轨道。
2020-02-21 10:05
记者20日从西湖大学获悉,西湖大学周强实验室利用冷冻电镜技术成功解析2019新冠病毒的受体——ACE2的全长结构,研究报告在预印版平台bioRxiv上线。
2020-02-21 10:04
记者20日从海军军医大学获悉,为减轻医护人员面部不适,预防器械相关压力性损伤,由该校药学系专家牵头研发的“预防口罩和医用护目镜压力性损伤的防护凝胶贴片”已于近期完成了研制、备案、注册和生产定型。
2020-02-21 10:03
在人类战争史的启示录中,科技的进步与应用是亘古不变的主题。经由此战,我们看到数字化、在线化的无形触角正全面渗透至社会运行的每一个角落,对于传染病引发的社会难题能起到很好的缓解和破解作用。
2020-02-20 10:50
2月16日,在哈尔滨市阿城区金都河畔小区上方百米盘旋着一架无人机,不断地向居民宣传防疫常识。”李春江说,防疫之战,每个社区都是主战场,要构筑群防群治严密防线,打一场疫情防控的人民战争。
2020-02-20 10:45
英国政府18日宣布,将通过总值达9000万英镑(约合1.17亿美元)的资助计划支持一系列清洁能源项目,帮助一些工业领域和民众家庭降低碳排放。
2020-02-20 10:25
在新冠肺炎疫情中,如何更好地保护医护人员成为各界关注的焦点。世卫组织媒体中心日前发布医护人员防控COVID-19专题问答。
2020-02-20 10:15
加载更多