“苹果落地”与万有引力定律的发现.doc

苹果落地”与万有引力定律的发现 经常有这样一种说法认为，牛顿看见苹果落地发现了万有引力定律，而且这种说法被广为传播.关于“苹果落地”的故事是：有一天，牛顿坐在苹果树下思考问题，一个苹果从树上落下，引起牛顿的思索，苹果在空间，哪个方向都可飞去，为什么偏偏坠向地面，一定是地面和苹果的相互吸引，整个宇宙都会有引力的作用.由此牛顿发现了万有引力定律.据说这是牛顿的侄女在 1730 年告诉法国启蒙哲学家伏尔泰的，伏尔泰借此大作文章来宣传自然科学.  威廉·斯塔克雷 1752 年写的《牛顿传记》中有这样的记载，当时斯塔克雷与牛顿正坐在花园中的苹果树下喝茶.由于苹果的下落引起了牛顿的思考（当时他头脑中正在想着引力的问题）：为什么苹果总是竖直落向地面?为什么不斜向运动呢?……（见《天空中的运动》杰拉尔德·霍尔顿等编）英国人很重视这个故事，过去他们常常把那株苹果树指给好奇者赏识，后来树倒了，便砍成若干块存作纪念. 也有这样的说法：“公元 1666 年牛顿住在故乡沃尔斯索普村，当时注意力正集中在引力问题上.因见苹果坠地，引起了引力必能过空间的想法.牛顿以此为线索，考虑到‘地球吸引苹果，无论苹果树之高低如何，必皆如此’”；“我们不能到数哩以上的高度去做实验，但引力必能达到遥远的高度，是毫无疑问的”.设想苹果由百哩高处落下，受地球的引力作用，其速度逐渐增大直至到达地面为止，牛顿认为这是“显见之事”，虽然地球的“引力会因高度之增加而减小”.（见《天文学名人传》）  还有这么写的：一天，牛顿在花园里想着月亮为什么会绕地球运行?恐怕是地心引力.因为很普通的事情：绳子一端系一石子，手握另一端，可使石子沿圆周转圈，此时若割断绳子，石子便会飞走.可见月亮绕地球转圈，必定受到地心引力.这引力有多大?多远的地方才不受地心引力的影响?脑中正在思索，忽听一声响，一只成熟的苹果落下来了.牛顿顿时想到：这是地心引力!苹果能从树上落下，一定也能从很高很高的空中落下.由于地心引力，它不会落到别的空间.那么月球也是一个东西，也一定受着地心引力，月球的运动和苹果落地是同样受引力作用的结果.…  从上引述可见“苹果落地”的故事在许多书有记载.但是，有人认为牛顿看到“苹果落地”忽然想到了“万有引力”，这显然是错误的.牛顿正在思考“引力”问题，同时由此得到启示，或者牛顿用“苹果落地”这一常见的事实在阐明自己关于引力的想法，则是可能的.这个故事的重点，并不在于苹果落地本身，而是“可能就是使苹果落地的这种力，使月亮维持在自己的轨道上.”牛顿的贡献并不在于“发现引力”，因为伽利略试验落体和投射时，已见到东西被吸引而掉向地面；开普勒在描画行星轨道时已模糊地意识到引力的作用，在他 1605 年给胡瓦特的信中提到把“天体机器比做时钟装置一样”，“是由单一的十分简单的磁力来实现其各种各样运动的”（受当时出版的威廉·吉尔伯特关于磁的著作的影响，开普勒设想自太阳发出的磁力驱使行星沿轨道前进）.牛顿的贡献在于将地面上的原理规律应用于宇宙，使天与地的一些力学规律实现了统一.  关于万有引力定律的问世，牛顿熟知力的效果是产生加速度，如果月球受地球的引力跟苹果受到的地心引力性质相同，且吸引力随 1／R ２ 而改变.已知地面上的落体加速度 g=9.8 米/秒 ２ ，地心和月心的距离差不多是地球半径的 60倍，那么月球受引力作用指向地球的加速度 a=g／60 ２ =0.0027 米／秒 ２ .牛顿也知道月球绕地球运动的周期T=27（1／3）天=2.36×10 ６ 秒.那么月亮做圆周运动的向心加速度 a=4πＲ/T ２ ，我们将 R＝6400 公里，Ｔ＝2．36×10 ６ 代入，可得 a=0.0027 米/秒 ２ ．两者对照，可见前面所作的“性质相同”和“平方反比”的假设是正确的.  据说牛顿在 1666 年就得出了万有引力定律，由于当时他居住在老家沃尔斯索普村（1665～1667 年瘟疫席卷英国，剑桥大学被迫停学），手头缺乏资料，凭记忆将地球上每一纬度相隔的距离算作六十一哩弱，得出地球半径为3．440 哩（约 5．500 公里），计算的结果比预定的要小（1／6）,牛顿感到失望，就扔一边了.到 1672 年，牛顿又想到了引力问题，得知法国人皮伽耳测量计算出来的每纬度间隔是六十九哩强，算得的地球半径约是 4000 哩（约6340 公里），以此值代入计算，结果相符合，他十分高兴.但是牛顿并不想着急于发表结果，而是抓住一个个行星埋头计算，持续了两年，并写成了《原理》第一本.他把底稿放到箱子里，又去研究别的问题了.他所以不愿付印发表，是因为他过去写了一部关于光学的著作，发表后引来了跟别人的争执，他不想再因“引力问题”招惹麻烦.幸亏天文学家、牛顿的好友哈雷 1684 年和胡克发生了争论，争论的问题是根据开普勒定律必有力作用于行星上，才能使行星做椭圆运动，而且应遵守平方反比定律.可是哈雷证明不了，于是就去向牛顿请教.牛顿答道：“对于这个问题我早已计算好了”，经过一点迟疑，牛顿把《原理》交给了哈雷.哈雷十分惊喜，说服了牛顿，把稿本送到皇家学会审阅.皇家学会想把它出版出来，可是不久又称经济困难不出版《原理》.牛顿告诉哈雷，《原理》计划共三本，可是怕跟胡克发生争执，准备把第三部分压下来，只出两本.哈雷立刻答复牛顿，不要因别人的妒忌而烦恼，压下第三部分的决定是悲观的无价值的.在哈雷的热情鼓励下，牛顿用了不到两年的时间，写成《原理》一书，最后在 1687 年全部出版了.《原理》的头二本，是专门讨论物体的运动.第三本叫《天文系统》，在这本书中，牛顿把引力定律推广到整个宇宙. 1798 年，距离牛顿发现万有引力定律又过了一百多年，卡文迪许在实验室里测定两个物体间的万有引力，计算出了万有引力常量 G 的值（当时为 6.71×10－８ 达因·厘米 ２ /克 ２ ，1979 年 G 的数值为 6.6720×10－１１ 牛顿·米 ２ /千克 ２ ）. 。