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 | ④重力概念的提出和形成
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

牛顿的苹果 | ④重力概念的提出和形成

来源:2019-11-14 18:37

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,今天继续和大家聊牛顿的苹果这个话题。

  上一期我们提到胡克和牛顿之间曾经就万有引力的问题进行过一些讨论,所以后来胡克指责牛顿剽窃了他的想法。而牛顿苹果的故事似乎是说明了牛顿在和胡克讨论之前就形成了万有引力的想法。真实的情况到底是什么样的呢?

  实际上,在牛顿自己写的著作中并没有提到苹果,但他的确提到早在1660年代他就导出了平方反比关系,并考虑了地球上的重力是否会延伸到月球,还进行了验算。所以牛顿并不认为他自己受到了胡克什么启发。牛顿说的对不对?他是根据什么进行的分析呢?

  实际上,这个计算在《原理》的第三卷中也给出了,根据圆周运动向心加速度 的公式,然后借助开普勒第三定律,就可以推导出力的平方反比关系。

  如何验证这一关系呢?当时天文学家已经知道月球到地心的距离是大约60个地球半径,因此地球表面重力加速度应该是月球轨道向心加速度的3600倍,这个加速度可以根据月球的距离和月球绕地球旋转的周期(一个月)求出来;另一方面,地球表面的重力加速度也可以使用单摆测量出来,与上述数值进行比较。

  牛顿《原理》第三版的编者彭伯顿(Henry Pemberton,1694-1771)、牛顿剑桥大学卢卡斯数学教授席位的继承者惠斯通(William Whiston, 1667-1752)以及伏尔泰等人,在他们关于《原理》的通俗著作中都说,由于当时所知的地球半径不准确,实测的加速度是4000倍,与3600倍接近但并不完全符合。按照他们的说法,牛顿因此没有立即发表自己的这一理论,并怀疑月球的运动是否还有其它的力作用,或者如同笛卡尔所说的那样,随漩涡运动。

  后来,法国天文学家皮卡德(Jean Picard,1620-1682)测出了比较准确的地球半径,两个数值就符合得很好了,牛顿在他的《原理》中采用了这个新的测量值。此后,许多物理学教科书中都沿袭了这一说法,例如在费曼物理学讲义中就将之作为重视精密实验数据的科学态度的一个例子(文献【1】,卷1,§7-4)。不过,近年来出版的物理学教科书大多删除了此种说法。这主要是因为现代的历史学家们通过对牛顿手稿的研究得出了新的结论。

  今人能根据牛顿的手稿,对他的思想演化过程进行深入的研究,首先要归功于牛顿本人。牛顿喜欢通过记详细的笔记进行学习和研究,而且作为完美主义者,他常常修改、重写自己的论文,所以常常留下同一著作的多个版本,而且这些文稿他也都没有丢弃而保留了下来,使人们可以了解他思想的演化过程。

  另一方面,也多亏了康迪特夫妇。牛顿去世的时候,继承他遗产的大部分亲属都没有受过教育,他们主要关注牛顿手稿中那些近乎完成、能够出版的部分,希望通过出版这些手稿分到一点版税。康迪特夫妇则意识到牛顿手稿的巨大历史价值,因此他们小心地把包括算草纸在内的全部手稿保存了下来并传给了后人。

  由于大部分的牛顿手稿并未标明日期,只能根据其内容和笔迹给出大致的年代,而无法给出精确的年月日。那么,在牛顿1660年代的手稿中,的确找到了几篇相关的文稿,在其中牛顿成功地推导出圆周运动的公式。

  圆周运动这个公式当时还没有发表过,稍后荷兰科学家惠更斯首次将其公开发表,但是牛顿是独立地得到了这一结果的。牛顿也的确进行了上述月球与地面的比较演算,并且正如人们所说的,不符的原因确实由于当时采用的地球半径不准确。此外,牛顿也演算了各行星随太阳距离的变化。这些都验证了牛顿从这时起就开始考虑重力的说法。

  但是历史学家同时也发现,在1660年代牛顿的观念还是比较混乱的。当时,针对直线运动,伽利略和笛卡尔已经表述了类似我们今天说的惯性定律的内容,即未受力的物体可以保持匀速运动。甚至,伽利略还分析了抛体运动,发现斜抛物体的运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和垂直方向的匀加速运动。

  但是对于圆周运动,当时人们的概念并不是很清晰,而是存在一些错误。从经验可知,当人们用手挥动一个铁锤的时候,会感到需要用力抓住铁锤,否则它就会脱手飞出,这被当时的人们视为圆周运动物体的一种沿着切线方向的离心的趋势(conatus)。牛顿计算的也是这种离心趋势的大小,他当时使用的就是conatus这个词。至于我们现在认为物体做圆周运动需要一个向心力(centripetal force),是在牛顿后来的著作特别是《原理》中才清晰阐明的。

  因此,现代的历史学家们认为,牛顿的这些手稿表明,尽管牛顿写下的公式形式上与他后来在《原理》中所给出的类似,但他在1660年代还并没有形成后来所说的万有引力概念。

  当时的人们包括牛顿,都主要受到笛卡尔哲学的影响。牛顿入剑桥大学读书时,他学习的标准课程还是经院哲学,但牛顿不久就开始自己阅读笛卡尔著作,并从中学习了数学和科学知识。

  笛卡尔派的自然哲学称为机械论哲学(mechanical philosophy)。笛卡尔注意到了物体的运动守恒,即我们今天所说的动量守恒,他主张物质通过相互接触作用而相互影响和改变运动状态。他认为宇宙中没有真空,到处都充满了物质,没有不含物质的空间,非常类似于我们后来所说的以太。笛卡尔认为这些以太的漩涡是驱动行星转动的原因。在这样一种理论中,并没有清晰地形成“力”的概念。实际上,当时“力”这个词还没有今天这种明晰的定义,而只具有人们日常生活中使用的模糊含义。

  直到撰写《原理》的时候,牛顿在其拉丁文原文中也用了惯力(vis inertiae)这个词,其意为保持物体运动状态不变的“内在力”,当然今天人们一般都只说惯性(inertia) 而不再说惯力了。甚至,《原理》长期流行的英文版,即Motte-Cajori英译版中就干脆将其翻译为惯性(inertia),而没有翻译为惯力(force of inertia)。在Cohen & Whitman 版《原理》中,为了原汁原味地保留拉丁文版的历史风貌才又恢复翻译为force of inertia。这些历史原因可能是牛顿当时未能形成对圆周运动中物体受力的清晰概念的原因。

  不过,即便如此,我自己对这种说法还是觉得有些疑惑。牛顿显然意识到要维持月球绕地球旋转需要某种指向地球中心方向的东西,也就是使苹果下落的重力。以他那种仅仅自学两年就能完全掌握当时所有的数学并发明微积分的天才,关于这个问题为什么会长期停留于一种模糊而错误的概念呢?这殊不可解。

  但无论如何,现代历史学家们认为在1660年代牛顿还未真正形成引力的概念(文献【2、3】)。那么,牛顿后来最终是怎样形成了他在《原理》中给出的、也就是我们在经典物理中学习的力的观念呢?按照历史学家们的考证,牛顿的思路是受到两方面的影响:炼金术和胡克。我们下期再讲。

  参考文献

  【1】R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, The Feynman Lectures on Physics, Vol.1. Addison-Wesley, 1977.

  【2】Richard S. Westfall, Never at Rest, A biography of Issac Newton, p.154, Cambridge University Press, 1980.

  【3】Issac Newton, The Principia--Mathematical Principles of Natural Philosophy, translated by I. Bernard Cohen & Anne Whitman, University of California Press, 1999。

  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

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

视觉焦点

  • 中国羽毛球大师赛:冯彦哲/黄东萍夺得混双冠军

  • 2026厦门科创产业与证券业发展大会举行

独家策划

推荐阅读
从丝绸、茶叶、瓷器、中药,到酿造、工艺美术、文房四宝,这些文化底蕴深厚的中华传统特色产业均属于历史经典产业。
2026-09-07 17:14
延续已久的“手工科研”模式正在被一种全新的力量改写。
2026-09-07 16:44
一根通体透明的“玻璃棒”——看着像玻璃,其实它叫光纤预制棒,是生产光纤的核心原材料。2011年,我们开启了基于VAD(轴向气相沉积法)/OVD(棒外化学气相沉积法)工艺的大尺寸光纤预制棒自主研发的漫长征途。
2026-09-07 09:40
脑机接口是在大脑与外部设备之间建立直接信息通路的技术系统。“‘北脑一号’的初始版本采用128通道无线全植入柔性电极,电极贴附在硬脑膜外,兼顾安全性和有效性。”罗敏敏说,在可预见的未来,脑机接口有望实现从人脑与人工智能、机器人深度协同,拓展到健康人群的认知、感知增强等。
2026-09-07 09:38
距今约5000至4000年,大麦、小麦、牛与羊等驯化动植物在亚欧大陆的东西两端双向流动,构建起史前时期一幅跨大陆农牧业交流图景。“这表明,麦作农业和技术自新月沃地传入甘肃,可能并不直接伴随着来自西方的大规模人群流入。
2026-09-07 09:29
火红的钢坯从连铸机中源源不断送出,切割枪落下,每一段坯料的目标误差控制在0.2%以内,不超过一根头发丝的直径。从人工经验到数据驱动,从单点突破到全流程协同,从单一学科到交叉融合,安徽工业大学正在为钢铁行业装上“智慧大脑”。
2026-09-07 09:25
2016年,我到法国留学攻读应用科学与技术博士学位。回国后我进入人形机器人领域,发现品牌思维已深入人心。
2026-09-07 09:24
草案不仅从法律上承认自动驾驶的合法身份,解决了“它是什么”的问题,还为其设立行为规范,发放“法律身份证”。
2026-09-04 09:17
开学后,一些孩子坐进教室才发现,黑板上的字看不清了,验光后发现近视。有些家长听说OK镜可以“晚上戴、白天摘”,还有助于延缓近视进展,准备给孩子配一副。孩子能不能佩戴OK镜?需要注意什么?
2026-09-04 09:32
据《自然》近日报道,根据9月1日联合国环境规划署(UNEP)发布的一份报告,按照当前的排放趋势,本世纪全球气温将较工业化前水平上升约1.8℃,这已是预期的最好结果。
2026-09-04 09:26
人类对寻找地外生命的执着,不仅是要证明人类并非宇宙“孤儿”,更重要的是,这可能带来能源、医学等领域的颠覆性突破。
2026-09-04 09:16
大地测量是国家安全的“隐形防线”,是航空航天和深空探测的“眼睛”,是国家基础设施建设的“尺子”和“秤”。
2026-09-04 09:17
全面了解我国管辖海域基础地质与海底构造特征,服务自然资源管理和国土空间规划“一张图”建设
2026-09-03 11:41
为更好地推动我国流感疫苗的预防接种,中国疾病预防控制中心近日发布《中国流感疫苗预防接种技术指南(2026—2027)》。
2026-09-03 11:39
高温超导带材有了更便宜、更结实的“骨架”。记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉,该所科研团队成功研制出高温超导带材新型“骨架”——铁基合金基带(DW01)。用该基带制备的超导带材关键性能指标显著优于传统哈氏合金基带产品,标志着我国在实现高温超导带材核心材料自主可控上迈出重要一步。
2026-09-03 10:38
每天,我们的大脑都要承受成千上万条信息的狂轰滥炸。如果把这些经历和信息全盘照收,大脑很快就会像塞满垃圾文件的电脑一样“死机”。那么,大脑是如何在信息的海洋中去粗取精,只把最重要的事情存进长期记忆的硬盘呢?
2026-09-03 10:38
9月,昴星团伴月、月掩金星、中秋月、海王星冲日等天象将轮番登场。其中备受大家关注的中秋月,既不是“十五圆”,也不是“十六圆”,而是较罕见的“十七圆”。
2026-09-03 10:38
记者13日从国家管网集团获悉,国内首次成品油长输管道顺序输送甲醇现场试验在陕西省咸阳市顺利完成。这标志着我国成品油管道顺序输送甲醇技术实现从理论探索到工程验证的关键跨越,为跨区域绿色甲醇安全、高效输送提供了完整技术方案与实践示范。
2026-09-03 10:38
张国捷介绍,壁虎是研究性染色体演化得天独厚的类群。为此,研究团队选取了22种壁虎开展基因组学分析,其中20个物种的性别决定机制明确,包含3种环境依赖型、6种XY基因型、11种ZW基因型,另有两个外群物种作为对照。研究还发现,上述17个由基因型性别决定的壁虎物种拥有20条性染色体,这些染色体分别起源于17条不同的祖先染色体。
2026-09-03 10:28
开学第一天,浙江省温州市广场路小学“我的暑期科学发现”发布会现场,孩子们正轮流上场展示自己的暑期探究成果。
2026-09-02 12:09
加载更多