万有引力是受苹果落地启发而发现的吗?
《自然哲学数学原理》是牛顿在1686年出版的一部科学名著。这是一部空前伟大的科学著作,它总结出了万有引力定律,创立了把天体运动和地面物体运动统一起来的力学理论,构成了经典力学理论。这部25万字的著作后来世界各国几乎都有了译本,在学术界产生了巨大的影响。
1686年,牛顿写出了《自然哲学数学原理》,正式发表了万有引力定律。即任何两个物体间都有相互吸引力,这个力就叫万有引力,引力的大小跟它们的质量成正比,跟它们之间距离的平方成反比。
关于牛顿发现万有引力定律,广泛流传着“苹果落地”的故事,说是牛顿是受苹果落地的启发而发现万有引力定律的。其实这不过是故事而已,牛顿对万有引力定律从1665年研究开始,到1686年提出经过了20多年。并且,在牛顿发现万有引力之前和他研究的同时,已有许多科学家在研究天体运动的规律和引力问题,并且已对此作出了不少贡献。牛顿不过是集其大成,并解决了别人未能解决的问题,走完了最后、最高的一步。牛顿在谈到自己在科学上成功的原因时也说:“因为我站在巨人的肩上的缘故。”
对牛顿发现万有引力定律作出过贡献的科学家有许多位。
第一位是德国天文学家开普勒,开普勒研究了行星运动的轨道、速率和周期,提出了开普勒三定律,回答了行星怎样运动的问题,为牛顿发现万有引力提供了运动学的基础。事实上,牛顿在研究太阳对行星的引力这个问题时,就是用的开普勒定律来推求这个引力的。
第二位是伽利略。伽利略提供的自由落体和抛物体的运动,为发现万有引力定律奠定了动力学的基础。牛顿本人回忆,他从1665年研究引力,就是从伽利略的关于抛物体运动的研究运用于分析月球运动入手的。
第三位是意大利佛罗伦萨实验学院的院士博雷利。他系统地研究了开普勒的行星运动三定律,1666年提出行星的椭圆轨道是两种相反力量的合成,一是行星被吸向太阳的引力,一是使行星离开太阳的离心力。就像一个小球用线系住旋转起来做圆周运动一样。尽管博雷利没有能够计算出太阳与行星之间引力与离心力的具体数值,但他提出的太阳与行星之间引力与离心力平衡的观点,对万有引力定律的发现是一大贡献。
第四位是荷兰物理学家惠更斯。1673年,惠更斯根据对摆的实验研究和对圆周运动的分析,得出向心引力的大小与距离的平方成反比的关系。向心引力的平方反比定律是打开万有引力大门的钥匙,是发现万有引力必经的一条途径。
还有一位对万有引力作出重大贡献的是英国著名的物理学家和天文学家罗伯特·胡克。1674年,胡克根据惠更斯的物质圆周运动的向心力定律和开普勒定律,提出三个假设:
第一,一切天体都具有倾向其中心的吸引力,它不仅吸引其本身各部分,而且还吸引其作用范围内的其他天体。
第二,凡是正在作简单直线运动的任何天体,在没有受到其他作用力使其倾斜,并使其沿着椭圆道、圆周或复杂的曲线运动之前,它将保持直线运动不变。
第三,受到吸引力作用的物体,越靠近吸引中心,其吸引力也越大。
这三条假设,已经包含了万有引力的一些问题,虽然没有能够完全证实,但却为牛顿发现和证明万有引力定律奠定了重要的基础。
值得一提的是,英国著名天文学家哈雷,对万有引力定律的发现也功不可没。牛顿在提出万有引力定律之时,几乎无人问津,就连他所在的剑桥大学也不讲牛顿的这一学说,万有引力定律被束之高阁。是哈雷首次用万有引力定律推算出了一颗彗星的轨道,并预言1758年这颗彗星将再次出现。到了1759年,这颗彗星果然来了,学术界在事实面前接受了牛顿的万有引力定律。