牛顿与万有引力定律
1665年的夏天,伦敦城里发生了大瘟疫,而英格兰的沃尔斯索普乡下依然平静如常。一个不大的农家小院里,院角几株种植多年的苹果树在习习的晚风中轻舞,树叶簌簌飒飒地撩拨着。房间里昏黄的灯光依旧亮着,一切静谧、安详。忽然,“咚”的一声闷响打破了沉寂,屋中灯下的读书人赶忙开门冲了出来,四周张望并未见一个人影,正在纳闷儿,“咚!”又是一下子,这回不巧,不知什么东西正砸头上,这人顿感一阵眩晕。良久,他抬头看见了枝头树叶间时隐时现的苹果,不觉笑了。
“你知道这人是谁?他便是大名鼎鼎的艾萨克·牛顿,伟大的……”
艾萨克·牛顿是世界杰出的自然科学家,17世纪自然科学革命的头等人物。他在物理学、天文学、数学等领域都做出了卓越的贡献。他也因此而成为第一位被女王授予爵士头衔的自然科学家。
“哦,明白了,不就是那个英国的物理学家牛顿吗,被苹果砸了一下头,脑筋一转就发现了万有引力定律。这也是命该如此,要是那个灵性的苹果正打到我头上,我也不一样琢磨出个把定律来吗?”
可笑,这种人只知牛顿被苹果砸了头,却不知背后牛顿的才智和努力。
牛顿1642年生于英格兰贝蒂林肯郡的一个农民家庭,幼年经历坎坷。他19岁考入剑桥大学特里尼蒂学院,23岁获得文学学士学位。那年6月,由于躲避瘟疫回到乡下,直至1667年重回剑桥大学。两年时间里,他构思了经典力学、微积分和光学等学科的思想,1668年获硕士学位,第二年被破格提升为数学教授,年仅27岁,担任此职务前后达26年。1705年,英女王授予牛顿爵士头衔。他于1727年3月20日逝世,享受国葬待遇,与英国历代君主和名人长眠于威斯敏斯特教堂。
由此可见,牛顿绝不是仅仅被苹果砸了一下就猛然悟到了万有引力定律,而是有着深厚的知识背景和超乎寻常的探索精神,在看到了苹果落地之后,也不是一下子悟出了什么定律,而是在一系列计算推导后才得出这一具有历史意义的科学结论。
牛顿在解决为什么苹果要落地而月亮却可以绕地球旋转不停的问题的时候,没有像他的前人那样依靠大量的观察测得数据,再进一步找出答案,而是主要靠思考与数学推导。
尽管牛顿在世时已被认为是一个划时代的科学先驱,但他的研究工作仍遭到了许多人的诽谤与非议,这幅充满寓意的光实验绘画表现了牛顿在科学上的胜利。
大体思路为:先求出月亮绕地球飞行的速度,这个速度由月亮绕地球轨道周长除以其绕地球周期得到,代数表达式为V月=2πr/T。在此基础上求得月亮的向心加速度,即月亮绕地球飞行速度的平方除以其轨道半径,代数表达式为a月=(V月)/r。根据已知的数据(月球的公转周期为27.3天,月球绕地球飞行速度为3.8×108米/秒)解得此式结果为0.0027米/秒2。这一结果适用于月亮,那么苹果呢?由于其自身重量相对于地球可忽略不计,它的加速度就应等于自由落体加速度为9.8米/秒2,再根据开普勒三定律就可得出苹果和月亮二者重力加速度关系。最终得到F=GMm/r2,即物体间彼此都有吸引力。这种力的大小仅与它们各自的质量和它们之间的距离相关,这就是著名的万有引力定律。
此书被评价为科学史上最伟大的著作,在这本书中,牛顿为以后300年的力学研究打下了基础。