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

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

  • 云南多条高速公路正式通车运行

  • 烧脑又好玩 智能益智玩具迎来“春天”

独家策划

推荐阅读
当日,石景山区AI for Science平台正式上线,该平台由枫清科技携手火山引擎联合打造,以AI驱动科研机构与企业的科研效率革新,降低科研门槛。
2025-12-27 20:21
记者25日从国防科技大学获悉,该校磁浮团队近日在磁悬浮试验中,成功在两秒内将吨级试验车加速至700公里/小时。测试速度打破了同类型平台全球纪录,成为全球最快的超导电动磁悬浮试验速度。
2025-12-26 10:08
12月24日,中国科学院重大科技基础设施“载人潜水器与海上作业母船”用户委员会2025年度会议披露:我国“深海勇士”号、“奋斗者”号、“蛟龙”号三大载人潜水器全年完成314次深潜,累计下潜总量达1746次,2026年将向2000次目标稳步迈进。
2025-12-26 10:05
日前,国家自然科学基金委员会在北京召开国家自然科学基金首批重大非共识项目遴选会议,标志着重大非共识项目正式启动试点。国家自然科学基金委员会将深入实施并持续优化重大非共识项目遴选机制,引导广大科研人员聚焦高水平原创性科研工作狠下功夫。
2025-12-26 09:59
其实,流感和普通感冒不是一回事,用药自然不能一概而论。流感一来往往会发高烧(体温39—40摄氏度),浑身肌肉酸痛、没力气,症状重;普通感冒多是鼻塞、流鼻涕、喉咙痛,发烧也多是低热,症状轻。
2025-12-26 09:58
一项近日发表于《科学》的研究指出,像ChatGPT 这样的人工智能(AI)工具正在大幅增加论文产量。此类文本数量的不断增加,使同行评议、资金决策和科研监督变得复杂,因为越来越难区分有意义的研究成果和低价值的内容。
2025-12-26 09:56
传统探查手段在如此深的地下几乎“失明”,无法精准捕捉地质特征。这项工程的成功实施,填补了我国超深埋输水隧洞注浆治理技术的空白,标志着我国在深埋地下工程地质探查与注浆治理领域达到国际领先水平。
2025-12-25 09:42
24日上午,随着最后一方混凝土浇筑完成,宁波舟山港六横公路大桥二期工程——青龙门特大桥双主塔成功封顶。青龙门特大桥位于浙江舟山,横跨青龙门水道,连接宁波梅山岛与舟山佛渡岛。
2025-12-25 09:45
24日,我国最大超深凝析气田——中国石油塔里木油田博孜—大北气田天然气年产量突破100亿立方米,生产凝析油91.89万吨。为攻克上述难题,塔里木油田持续攻关,推动气田开发实现从深层向超深层、从高压向超高压、从优质储层向复杂储层的三大跨越。
2025-12-25 09:44
前不久,“科学家预测恐龙复活有望实现”的话题冲上热搜,引起舆论关注。
2025-12-25 10:20
一项研究显示,科学家发现新物种的速度比以往任何时候都快——每年发现的新物种超过1.6万个,并且这一趋势没有放缓的迹象。除了医学,许多物种的适应特性还可以启发人类的发明创造,例如模仿壁虎垂直爬墙的“超强黏附”脚的材料。
2025-12-25 09:47
”这是中国科学院院士、北京航空航天大学研究生院原副院长高为炳生前在自述中留下的一句话。而在高为炳的学生看来,他之所以能在短时间内取得那么多成绩,根源就在于几十年的厚积薄发。
2025-12-25 09:46
昆虫性信息素相当于昆虫之间的“气味语言”,具有靶向性强、用量少、对环境友好等优点,是当前绿色植保的重要策略之一。
2025-12-24 10:05
作为中国科学院“十四五”重大项目之一,2022年7月27日,由中国科学院力学研究所(以下简称力学所)抓总研制的“力箭一号”火箭首飞成功。
2025-12-24 09:59
中国科学技术大学(以下简称中国科大)教授潘建伟、朱晓波、彭承志和副教授陈福升等基于超导量子处理器“祖冲之3.2号”,在码距为7的表面码上实现了低于纠错阈值的量子纠错,演示了逻辑错误率随码距增加而显著下降。
2025-12-24 09:58
为加快推进知识产权强国建设,日前,国家知识产权局会同有关部门编制完成《知识产权强国建设发展报告(2025年)》。
2025-12-24 09:57
国家能源局23日发布11月全国电动汽车充电设施数据。
2025-12-24 09:57
我国自主设计建造的全球首制甲醇双燃料动力智能超大型油轮“凯拓”轮22日在辽宁大连成功交付。
2025-12-23 09:54
中国科学院大连化学物理研究所副研究员方光宗、研究员潘秀莲团队在乙炔氢氯化制氯乙烯研究领域取得新进展。
2025-12-23 09:53
《自然》杂志网站12月18日刊发文章,展望了2026年值得关注的科学事件,涉及人工智能(AI)、基因编辑和太空探索等多个领域。中国计划于2026年发射嫦娥七号探测器,目标是在布满岩石与陨石坑、着陆难度极大的月球南极附近着陆。
2025-12-23 09:52
加载更多