科學(xué)認識君的《通俗物理100課》系列
【第四課：引力理論發(fā)展簡(jiǎn)史】
想必大家對萬(wàn)有引力理論再熟悉不過(guò)了。我們都知道有質(zhì)量的物體會(huì )相互吸引，這是引力的精髓思想。但要是僅知道這點(diǎn)東西，那么你對引力的認識還很膚淺。
在牛頓功成名就之后，他曾說(shuō)過(guò)這樣的名言，“如果說(shuō)我比別人看得更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上”。誠然如此，在牛頓之先，前人已經(jīng)探索了萬(wàn)物的運動(dòng)規律。
不管是古代東方還是西方，都有類(lèi)似天圓地方的自然理念。那時(shí)候的人類(lèi)無(wú)不認為浩瀚無(wú)垠的星空都是繞地面旋轉著(zhù)，多彩的繁星是神創(chuàng )造給人類(lèi)的黑夜點(diǎn)綴。
可是哥白尼的出現，讓地心論第一次感受到了危機。哥白尼發(fā)現，如果所有的天體繞地球旋轉，那么星體的運動(dòng)軌跡就復雜無(wú)比。倘若星球繞太陽(yáng)旋轉，那么事情就簡(jiǎn)單得多。
本著(zhù)“如了無(wú)必要，勿增實(shí)體”的哲學(xué)理念，中年時(shí)期的哥白尼提出了日心說(shuō)。但擔心遭到教會(huì )的迫害，就辯稱(chēng)自己的理論不違背《圣經(jīng)》 。盡管認慫了，他依舊憂(yōu)心忡忡，畢竟在那個(gè)年代，敢質(zhì)疑教會(huì )的人只會(huì )遭到火刑的懲罰。哥白尼直到晚年才發(fā)表了自己的《天體運行論》，日心說(shuō)的思想被廣泛傳播開(kāi)來(lái)了。
哥白尼的繼任者是布魯諾，這家伙比哥白尼的思想還激進(jìn)。他不僅承認日心說(shuō)，甚至還提出了超前沿的無(wú)限宇宙學(xué)說(shuō)，認為宇宙是無(wú)限大的，太陽(yáng)只是眾多恒星的一個(gè)，宇宙中有無(wú)數多的“太陽(yáng)”，地球和人類(lèi)在宇宙中只是渺小的螻蟻。羅馬教廷聽(tīng)了如此“混賬”的言論后火冒三丈，嚴刑拷打了布魯諾，逼著(zhù)他懺悔。最后不屈不撓的布魯諾被活活燒死。
布魯諾之死，1600年
和布魯諾同時(shí)期的還有一個(gè)占星師，這就是第谷，他夜觀(guān)天象，天天研究天體們的運動(dòng)。得出了大量的天體運動(dòng)數據。結合數據分析，第谷認為天上的行星的確繞太陽(yáng)旋轉，但他卻不是哥白尼的簇擁者，第谷認為即便天上的行星都繞太陽(yáng)旋轉，但太陽(yáng)卻會(huì )攜帶著(zhù)眾多的“小弟”又繞地球旋轉，反正地球還是老大。第谷或許是吸取了教廷反對者的前車(chē)之鑒，不得不投靠地心說(shuō)，畢竟活著(zhù)不好嗎。值得一提的是，第谷這種“星繞日，日又繞地”的理論傳到明朝后，甚至一度被接納！
第谷有個(gè)助手，也是他的學(xué)生，叫開(kāi)普勒。在第谷死后，開(kāi)普勒繼承了第谷的研究。并提出了開(kāi)普勒三大定律。
開(kāi)普勒
他發(fā)現第一條定律：所有的行星都以橢圓軌道繞太陽(yáng)旋轉，太陽(yáng)處于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。
太陽(yáng)位于其中一個(gè)焦點(diǎn)
第二條：行星距離太陽(yáng)近時(shí)就運動(dòng)得快，遠時(shí)則快，并且單位時(shí)間內行星掃過(guò)太陽(yáng)的面積相等。
單位時(shí)間內掃過(guò)的面積相等
第三條：任何兩個(gè)行星的周期T的平方正比于它們各自軌道半長(cháng)軸a的立方，所以常數k=a3/T2
開(kāi)普勒第三定律動(dòng)態(tài)演示圖
以上是牛頓之前，西方對天體的研究簡(jiǎn)史?；氐降孛嫔?，伽利略這時(shí)候察覺(jué)到了一個(gè)極其重要的規律。他認為，如果一個(gè)物體沒(méi)有受到任何外力的干擾，那么該物體就會(huì )永遠保持最初的狀態(tài)。一個(gè)物體起初靜止，若沒(méi)有外部干擾，它就永遠靜止。如果物體起初就運動(dòng)著(zhù)，若沒(méi)有外部干擾，那它就一直保持勻速直線(xiàn)運動(dòng)。這就是慣性定律的雛形，可是伽利略并不清楚其中的緣由。
這時(shí)候壓軸大神登場(chǎng)了。牛頓結合開(kāi)普勒的三大定律和伽利略對慣性的思考提出了驚人的萬(wàn)有引力定律。
牛頓
牛頓在想，為什么地球不是勻速直線(xiàn)運動(dòng)在宇宙中？地球貌似沒(méi)有受到任何外力啊，地球繞太陽(yáng)旋轉，肯定是一種力施加給了地球，這個(gè)力是太陽(yáng)給的嗎？ 當牛頓的看到蘋(píng)果落地之后，啟發(fā)性的認識到萬(wàn)有引力后。這時(shí)候他才知道，太陽(yáng)也給地球施加了引力。
地球吸引了蘋(píng)果，在引力的作用下，蘋(píng)果落地了。那太陽(yáng)也給地球一個(gè)力，為啥地球不落向太陽(yáng)呢？
牛頓認為地球也會(huì )落向太陽(yáng)，但地球一開(kāi)始就有一個(gè)初速度，在引力的作用下，地球偏離了原有的初速度方向而落向太陽(yáng)，就和平拋運動(dòng)一樣，不過(guò)由于地球初速度比較大，導致地球繞太陽(yáng)一周都沒(méi)有落到太陽(yáng)表面，于是地球就繞太陽(yáng)旋轉了。
結合開(kāi)普勒定律，牛頓認為兩個(gè)物體距離越遠，其吸引力越小，所以引力大小和距離的平方成反比。如果兩個(gè)物體質(zhì)量越大，其吸引力就越大，所以引力大小和彼此的質(zhì)量乘積成反比。
萬(wàn)有引力公式
為了讓萬(wàn)有引力的力和牛頓第二定律的F=ma統一起來(lái)，就需要一個(gè)引力常數。后來(lái)卡文迪許通過(guò)扭秤實(shí)驗精確的測量出來(lái)了引力常數G，這樣萬(wàn)有引力公式就完美了。有了常數G，人類(lèi)終于計算出來(lái)了地球的質(zhì)量。
牛頓提出萬(wàn)有引力之后，陷入到一個(gè)更深度的問(wèn)題中。是什么推動(dòng)了引力？牛頓的答案就是上帝。還有一個(gè)問(wèn)題羈絆著(zhù)牛頓，這個(gè)問(wèn)題甚至為相對論的建立埋下了伏筆。牛頓在思考，在宇宙深空中，兩個(gè)星球的引力是通過(guò)什么傳遞的？生活中你要搬動(dòng)一張桌子，就要接觸到它，不可能憑空移物，這時(shí)候手就是力傳播的介質(zhì)；吹滅蠟燭，是因為嘴巴先把力傳給了空氣，空氣的氣流再把蠟燭撲滅；在水面上放一個(gè)小球，攪動(dòng)水面，小球就會(huì )被動(dòng)顛簸起來(lái)，這時(shí)力的傳播借助的是水，我們很容易得出這樣的結論：力傳播的介質(zhì)必須是物質(zhì)。
而在宇宙中，一個(gè)星球和另一個(gè)相隔那么遙遠，彼此還有一種吸引力，那么誰(shuí)來(lái)充當引力傳播的介質(zhì)？ 反正真空是不可能傳遞力的，引力作用也不可能是超距作用，那這個(gè)介質(zhì)又由誰(shuí)來(lái)充當？這時(shí)候牛頓就借助了亞里士多德的以太概念，牛頓讓以太這種“物質(zhì)”勝任引力介質(zhì)的艱巨任務(wù)。牛頓認為：正是宇宙中充滿(mǎn)了看不見(jiàn)摸不著(zhù)的以太，才使得引力的傳遞有了介質(zhì)。以太就是引力作用的傳播者。
充滿(mǎn)“以太”的宇宙
就是這個(gè)以太，可把后來(lái)的物理學(xué)家“害慘了”（調侃而已，以太也間接地促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展）。光說(shuō)無(wú)憑，你倒是驗證??！后人用了100多年的時(shí)間，進(jìn)行了大量的實(shí)驗，反正就是找不到以太的存在證據。其中有個(gè)邁克耳遜-莫雷實(shí)驗還直接否定了以太的存在。這時(shí)候牛頓的萬(wàn)有引力赤裸裸地變成了“超距作用”，沒(méi)有人愿意相信這一切，連牛頓本人也不愿相信。用網(wǎng)絡(luò )流行語(yǔ)來(lái)說(shuō)，牛頓終于把引力理論變成了自己不愿相信的理論了。在微觀(guān)領(lǐng)域，伴隨著(zhù)量子力學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)瞬間有涼涼的節奏。
直到1915年，愛(ài)因斯坦提出了新的引力理論，也就是時(shí)空彎曲理論才解決了引力的介質(zhì)問(wèn)題。
在時(shí)空彎曲理論中，壓根就不需要什么以太充當引力的介質(zhì)。因為連引力都是表象，本質(zhì)是時(shí)間和空間的彎曲。太陽(yáng)的巨大質(zhì)量導致周?chē)臅r(shí)空彎曲的異常明顯，而地球又在太陽(yáng)周?chē)膹澢鷷r(shí)空中運動(dòng)，就不得不沿著(zhù)彎曲的時(shí)空前行。地球就相當于車(chē)輛，時(shí)空就相當于道路，道路都是彎曲的，在其中行駛的車(chē)輛路徑怎么可能不彎曲呢！所以地球就顯得繞太陽(yáng)旋轉，就好像有一種力拽著(zhù)地球一樣，這就體現出了所謂的引力。
時(shí)空彎曲
現在我們依舊接納牛頓力學(xué)，只不過(guò)把它從神壇中拉了下來(lái)，在原子尺度以下和光速10%之上的領(lǐng)域把牛頓除名了！當然，牛頓力學(xué)依舊在低速，宏觀(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。
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