让人类开始认识宇宙的伟大理论

 新闻资讯     |      2020-01-03 19:33

随着美国重启登月计划,新一波的太空探索竞争越来越激烈,直到今天还有许国国家还在为成功发射卫星目标在努力。而美国NASA却在50年前就已经成功登月,这样的差距虽然已经成为事实,但是人类在太空探索技术上的努力从未停止过。

在人类对太空的探索中,失败和成功从来都是并存的,但是有一个人可以说让人类在成功宇宙的道路中迈进了巨大的一步,那就是——牛顿。

牛顿,1643年出生于英格兰落伍尔索普的小村庄,属于早产,身体比较瘦小,更让人可惜的是他出生三个月后父亲就去世了。而在牛顿三岁的时候,母亲便改嫁,嫁给了一位牧师,可以说牛顿的童年并不很快乐,缺少父爱,然后又被送到外祖母家寄养。这样的童年生活可以说是对他在成年后爱争论不服输的性格产生了巨大的影响,同时也对他在相信神学炼金术,并且也为之奋斗终生,可以说他花费在炼金术上的心思并不亚于他花费在科学道路上的心思。如果他专一研究科学,或许他的成就更高,使物理学更上一层也说不定。

可以说牛顿做为世界到目前为止前三的物理学家数学家,他在科学界的成就相当了不起,比如力学上的牛顿三定律,数学上的微积分及二项式定理。还有在光学上天文学上都有很大的成就,可以说这样的人完全是划时代的人物,那这样的人到底是怎么样论证出万用引力的呢?

最初很多人支持“地心说”,认为宇宙的天体都是围绕着地球为中心进行运转,直到哥白尼提出不一样的看法---“日心说”。就是天体都围绕着太阳为中心进行运转的,在当时产生了很大的影响,很多宗教人士认为他这种说法打破了他们的信仰。而随着对太空研究的深入,开普勒对哥白尼的日心说进行了修正,他发现天体运行轨道并不是圆形,而是椭圆的轨道,这就是开普勒第一定律告诉我们的, 但是他当时还是无法解释是什么原因让天体的运动轨迹产生了变化?

物理学家伽利略认起初认为,力是改变物体状态的原因。认为物体只要受力就做匀速圆周运动,这也解释了为啥天体是绕圆运行了,但是后来发现他提出的是错误的,并不能很好解释天体运行是椭圆的轨迹问题。

而就在1669年,年仅27岁的牛顿研究发现,要使物体进行匀速圆周运动,那就必须要用一个外力,即向心力。但是在当时并不清楚这个力与物体质量速度是怎么样的关系,只清楚这个向心力受质量速度影响。如果不是有新的力改变物体运动状态,那么物体只能一直匀速直线运行或者静止状态,更不可能使物体能做圆周运动了(牛顿第一定律)。通过牛顿的发现了存在向心力的存在就可以很好的解释为啥天体运行轨迹是椭圆的了,但是人们希望可以计算出这个力到底是多大?那就得需要弄清楚这之间的关系到底是怎么样的?

牛顿这个人性格是比较好强较真的,也跟很多当时的科学家大佬存在争论,比较出名的就是跟莱布尼茨及胡克。胡克这个人是英国皇家学院的,在当时无论是身份还是地位,都优于牛顿,同时胡克更擅长制造精密仪器。可以说他不能让牛顿的风头超过自己,想挑一些牛顿的毛病。而牛顿这人不服输,有次牛顿在研究色散问题提出了光是粒子的说法,遭到胡克到处宣称牛顿说错了,这下二个人算是杠上了。

在这之后他们还一直相互争论着力与物体运动到底是什么关系,比如,后来在说到重力的问题上,牛顿认为地球上的物体受到的重力不变,而胡克认为地球物体的重力与物体离地球的距离平方成反比。这时候可以说牛顿在争论上输给了胡克,而胡克也借此嘲讽了牛顿,牛顿也顺便回击了一句名言“我之所以比别人看得远一些,是因为我站在巨人的肩膀上” ,其实本意大概就是我的成就与你胡克无关。因为胡克这个人有点驼背还矮,很忌讳别人说高大或者巨大的词语,但是现在已经被用来表达谦虚的意思了。最后当牛顿当上英国皇家学会会长的时候还把胡克的肖像全部毁灭了,所以后人也无人知道胡克长什么样子了。

在1684年,胡克在哈雷跟雷恩面前吹牛说自己已经证出平方反比的引力可以推导行星运动轨迹是椭圆的问题(即开普勒第三定律)。但是真让胡克拿出来的时候,他又磨磨唧唧,最后雷恩打赌说,你们二个在二个月先拿出来就可以赢得价值40先令的书(在当时出书的难度很大,基本都是手稿)。

这时候哈雷想自己也解决不了,就想到数学家牛顿了。而这时候的牛顿在剑硅胶制品桥大学教书,相对低调了许多,当哈雷跑过去问牛顿你知道行星绕太阳的轨道是什么形状吗?牛顿回答:“是椭圆,而且我已经证明出来了。”

可以说当哈雷听到这个消息欣喜若狂,希望可以把证明过程给自己看下,牛顿说回去找下,而在这之后,牛顿拿出来可以说是史上价值最高的九页纸,也是后面出版的巨著《自然哲学的数学原理》的主体内容。

其实在牛顿提出万有引力的公式之后的100年里,科学家对这个引力常数G一直在摸索,也无法精确进行测量。因为一般物体的质量相对天体来说太小,根本无法测出这个G的具体数值,那就得说下被称为第一个测出地球质量的人----卡文迪许,卡文迪许通过扭称实验最后测量出G的值G=6.67×10-11N·m/kg。

此时在万有引力的定律公布,很多科学家从多方论证这定律的科学性及正确性。而就在大家都接受这公式的时候,天文学家发现天王星的轨道存在偏离,跟牛顿的万有引力预测的轨道存在差异。这个时候已经很少有人怀疑万有引力定律的正确性了,这时候有人提出想法,会不会是天王星的外围还存在一颗行星,他们彼此之间存在引力,所以影响了轨道运行。

正是这种想法,在科学家们经过大量计算,终于在1846年9月发现了海王星,这就是太阳系的第八颗行星。而海王星观测中同样发现轨道存在偏移,最后也是通过计算终于在1930年找到了太阳系的第九颗行星冥王星。可以看到,正是通过牛顿提出的万有引力定律再通过计算,才发现海王星及冥王星,这也就是人们称海王星及冥王星为“笔尖下的行星”。

万有引力的发现与一直流传的牛顿被苹果砸了的事情差距还是很大的,可能为了让更多人理解万有引力,就用最通俗易懂的现象解释它才能让更多人接受感受到万有引力的存在。对于牛顿这么伟大的人物,其实最可惜的就是他没有结婚,更没有留下自己的后代。

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正是由于这跨时代的发现,让人们对于宇宙的深刻认识,才能保证航天任务的一次次的成功完成。如果把万有引力公式称为最美公式之一,我认为一点也不过分。

后来更加深刻的观测表明,万有引力定律还是有缺陷的,有些天体运动现象也解释不了,比如“水星进动”现象,这就需要后来的广义相对论才能圆满解释了。那就是人类另一位最伟大科学家的深刻创造了。




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