文明的起源:28近代物理学的奠基人—牛顿

人类创造的世界光彩夺目,绚丽耀眼,令人赞叹称奇。它为什么是现在的这个样子?迎着阳光,在现代文明精致的面庞和魁梧的身躯后面,有一条长长的影子,从那里,可以看到岁月、历史和长路。

为什么你跳起来马上要落下?为什么你丢出去的任何东西都会落在地上或者某种支撑物上?为什么水会往低处流?这些问题中的现象是我们每天都会经历,都能看到的,而且即使不进行任何试验或者观察,我们也绝对能预测结果,因为这就是经验事实和信念。然而要解释这些事实,恐怕不那么容易。但曾经有一个英国人给出了他的解释,让我们来看看他在他的著作《自然哲学的数学原理》里的说法吧:“如果由实验和天文学观测,普遍显示出地球周围的一切天体被地球重力所吸引,并且其重力与它们各自含有的物质之量成比例,则月球同样按照物质之量被地球重力所吸引。另一方面,它显示出,我们的海洋被月球重力所吸引;并且一切行星相互被重力所吸引,行星同样被太阳的重力所吸引。由于这个规则,我们必须普遍承认,一切物体,不论是什么,都被赋予了相互的吸引力(gravitation)的原理。因为根据这个表象所得出的一切物体的万有引力(universal gravitation)的论证……”。

这本书出版于1687年,作者是英国科学家艾萨克·牛顿,他为解释地球上物体受地球吸引和行星运动规律而提出的吸引力理论就是“万有引力定律”。被翻译成“引力”的英文单词gravity是牛顿创造的,来源于拉丁文gravitas (沉重的意思)。

按照牛顿的说法,每两个有质量的物体之间,都存在万有引力,两者之间的吸引力用下图的公式计算:

首先,F1=F2表示万有引力在两个物体之间是相互的和相等的,牛顿在《自》中说:“两个物体之间的作用力和反作用力,总是大小相等,方向相反。力不能离开物体单独存在。”这段文字现在被视为“牛顿第三定律”。然后,公式中出现的m(质量)是什么?就是物质的量。我们在超市买食品,一个苹果有多重,一个鸡蛋有多重,用天平或者电子秤称一下就知道,一个苹果50克,一个鸡蛋40克,差不多10个苹果是一斤,13个鸡蛋有1斤多,这就是质量。计算时,m采用千克为单位。

G是什么呢?牛顿说这是“万有引力常数”。他认为公式中必须要存在这个项目,但他也不知道G是多少,他只是认为G存在,而且是常数。100多年后的1790年代,英国一位物理学家卡文迪许用扭秤测出了G的值,是6.67259×10-11,也就是0.9,单位是N·m2/kg2。

卡文迪许用于测量G值的实验,我们可以简单的提一下:他想尽办法创造了一个完全不受外界影响(比如风、地震、噪杂的声音带来的空气振动等)的房间,把两个一样重的铅球挂在杆子的两端,在杆子的中央找到让杆子平衡的点,并在这个点栓上石英丝并挂起来。然后在两个小铅球的不同侧分别靠近两个大铅球,因为引力的存在,小铅球就会动,带动杆子旋转。多次测出杆子旋转的角度,就能计算出万有引力常数了。(这个测量方法是以万有引力公式为基础的。)

一头大象和一只蚂蚁之间,就存在万有引力,两头大象之间也是如此。如果把两头大象和一只蚂蚁放在一起,它们谁会被谁吸走呢?蚂蚁被大象吸走吗?还是两只大象吸在一起?你知道这肯定不会发生,因为除了磁性的吸引、正负电荷的吸引、或者空气压力和流速变化形成的吸引之外,我们绝没见过两个物体无缘无故被吸引在一起。我们试试把两头大象或者一头大象一只蚂蚁的质量代入牛顿给的万有引力公式计算一下,那力量还不足以抵抗它们和地面的摩擦力或者空气阻力。如果将一只蚂蚁紧挨着大象呢?在想象中好像也看不出有吸引力。所以你不可能在地球上看到两个物体会因为万有引力被吸在一起,但我们没有理由否认它的存在。万有引力基本上是为了说明质量庞大的天体之间的相互作用力,而且目前看来是正确的,有效的。

200多年后的物理学家爱因斯坦,对万有引力存在的根源作出了他的解释。爱因斯坦在他的广义相对论中提出这样的见解:由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。

这些伟大科学家解释事物的方式,不一定正确,或者他们也仅仅看到了一些表面现象而做出了预言。但在其他人或者我们自己都没有更合理更深刻的认识和预言时,我们就暂时认为这些科学家是对的。至少到目前为止,根据这个万有引力定律,我们能解释:地球围绕太阳转,是因为太阳对地球的引力存在;大海的潮涨潮落,是月球对地球的引力作用;为什么地球没有遭受小行星的袭击?因为太阳的引力要远大于地球的引力;还有很多,包括这个章节开头提到的问题。

我们把牛顿作为近代物理学的奠基人,除了他提出了万有引力定律,还有牛顿运动三定律。1703年,牛顿当选为皇家学会会长。

19世纪中晚期的奥地利物理学家恩斯特·马赫评价牛顿说:“自从牛顿时代以来所取得的一切成就都是牛顿力学在演绎上、形式上和数学上的进展。”这一方面意思是说明牛顿理论的影响深远,另一方面的意思是17世纪到19世纪的物理学没有惊天动地的变化。但实际不然。19世纪的科学界还没有看到牛顿之后的物理学理论产生实际效果和巨大作用,所以认为不足为奇,比如热学和电磁学。直到20世纪人类进入电气时代,18、19世纪的物理学理论才真正因为对人类的巨大贡献而找到了其应有的地位。打个比方:一个少年从他的孩童期开始就被看作是一个普通而平凡的人,直到他在中年时声名鹊起,人们才会惊讶地发现他曾经不凡的少年时代。

如果认为电磁学中的库仑定律是受万有引力公式的启发而作出的演变,那么实际上,牛顿是从他的前辈开普勒的行星运动三大定律基础上推导出万有引力公式的。科学发现就是一个接力的过程,互相借鉴,互相启发。

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