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

  • 习近平同巴西总统卢拉共同签署联合声明

  • 习近平同巴西总统卢拉共见记者

独家策划

推荐阅读
记者20日从中国航天科技集团一院获悉,该院抓总研制的长征十号系列火箭近日成功完成整流罩分离试验,标志着该系列火箭初样研制又迈出了坚实一步。
2024-11-21 09:14
作为战略性新兴产业,低空经济产业链条长,涵盖航空器研发与制造、低空飞行基础设施建设与运营、飞行服务与保障等产业,对构建现代产业体系具有重要作用。
2024-11-21 09:12
工业革命改变了世界面貌,为人类生产生活带来深远影响。当今世界,人工智能迅猛发展,推动人类社会深度变革。在此过程中,电力行业也在逐步向数字化和智能化转型。
2024-11-21 09:10
数据显示,2023年我国低空经济规模超5000亿元,增速超过33%,2030年有望达到2万亿元。2024年以来,全国已有超过26个省(区、市)将低空经济写进政府工作报告。
2024-11-21 09:09
日前,国际学术期刊《自然·通讯》在线刊发江西省农业科学院原院长颜龙安院士团队联合河北大学杜会龙教授团队的研究成果:首个稻属最全超级泛基因组图谱绘制成功。
2024-11-21 09:09
全海深光电缆绞车系统“海威GD11000”,日前随广州海洋地质调查局“海洋地质二号”船在我国南海完成了首个航次的深海调查任务。
2024-11-20 09:21
近日,中国科学院兰州化学物理研究所研究员何林团队与武汉大学教授雷爱文团队合作,在催化羰基化领域取得重要进展——成功利用一氧化碳或二氧化碳替代剧毒光气,高效合成含氮羰基化合物非对称脲。。
2024-11-20 09:24
这种菌能够迅速分解番茄、辣椒、娃娃菜等多种蔬菜尾菜,并具有促进作物生长、拮抗土传病原菌等功能特性。在此基础上,课题组进一步研发了“蔬菜尾菜+快速腐解菌+有机肥+功能菌”四位一体的原位还田技术。
2024-11-20 09:20
11月18日,在沪渝蓉高铁全线控制性咽喉工程崇太长江隧道内,我国盾构隧道智能建造V2.0技术体系正式在“领航号”盾构机成功应用
2024-11-20 09:19
19日,四川、重庆、贵州三省市同步首发动力型锂电池试运专列,这是我国铁路首次大规模试运输动力锂电池,将助力国产动力锂电池产品的全球流通。
2024-11-20 09:13
近年来,北京市延庆区大力发展低空经济,2023年相关产业产值达23.3亿元。天气渐冷,北京八达岭长城脚下,中关村延庆园内的低空经济产业园依旧热火朝天,一派繁忙景象。
2024-11-19 09:50
据最新一期《自然·化学》杂志报道,美国加州大学圣迭戈分校团队在最新研究中给出了一个涉及两种简单分子间反应的精妙解释。
2024-11-19 09:47
利用样地观测数据、空间分析和树线模型模拟,中国科学院青藏高原研究所研究员梁尔源等人系统分析了尼泊尔珠峰国家公园和安纳普纳保护区混交林树线,揭示了糙皮桦和喜马拉雅冷杉的种群更新动态和树线位置变化。
2024-11-19 09:46
机器人服务员、咖啡师、宠物……各种机器人让人目不暇接。自动载人飞行器,无人机、无人车、无人船……智能驾驶技术遍布“海陆空”。11月14日至16日,第二十六届中国国际高新技术成果交易会在广东深圳举行。
2024-11-19 04:55
近日,记者从湖北省神农架林区林业管理局野保科开展的陆生野生脊椎类动物普查中获悉,神农架现有陆生野生脊椎类动物710种,比原来的493种增加217种。
2024-11-19 05:00
北京时间11月15日23时13分,天舟八号货运飞船在文昌航天发射场由长征七号遥九运载火箭成功发射。自中国空间站建造以来,空间应用系统已在轨开展了百余项科学实验和应用试验,阶段性研究成果持续产出。
2024-11-18 10:27
中国科学院生物物理研究所王晓群研究员课题组、广东省智能科学与技术研究院张旭院士课题组和北京师范大学吴倩教授课题组合作,深入解析了人类背根神经节(DRG)发育过程中调控多种感觉神经元分化的多层级信号通路,并成功构建了人类DRG类器官(hDRGOs)模型。通过比较人类和小鼠的感觉神经元发育,研究人员发现两者在发育进程、基因表达谱和细胞亚型上存在差异。
2024-11-18 10:24
党的二十届三中全会提出,发展通用航空和低空经济。航空航天民航高校应发挥特色优势,形成“航空+”的多元化低空经济专业型人才培养模式,促进低空经济科技链、人才链、产业链的有机衔接。
2024-11-18 10:21
中北大学极端环境特种传感与测试创新研究团队成员正在围绕近期发射任务进行产品研发。日前,第28届“中国青年五四奖章”评选揭晓,中北大学极端环境特种传感与测试创新研究团队获“中国青年五四奖章集体”荣誉称号。
2024-11-18 10:16
据中国载人航天工程办公室消息,天舟七号货运飞船已于11月17日21时25分受控再入大气层。 天舟七号货运飞船于2024年1月17日在文昌航天发射场发射入轨,装载了航天员在轨驻留消耗品、推进剂、应用实(试)验装置等物资。
2024-11-18 10:14
加载更多