2024-07-16

十、牛顿发现万有引力

万有引力,全称为“万有引力定律”(law of universal gravitation),为物体间相互作用的一条定律,1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,而与它们之间的距离的平方成反比。如果用m1、m2表示两个物体的质量,r表示它们间的距离,则物体间相互吸引力为F=(Gm1m2)/r²,G称为万有引力常数也可简称为引力常数。

1666年,23岁的牛顿还是剑桥大学圣三一学院三年级的学生。看到他白皙的皮肤和金色的长发,很多人以为他还是个孩子。他身体瘦小,沉默寡言,性格严肃,这使人们更加相信他还是个孩子。他那双锐利的眼睛和整天写满怒气的表情更是拒人于千里之外。

黑死病席卷了伦敦,夺走了很多人的生命,那确实是段可怕的日子。大学被迫关闭,像艾萨克·牛顿这样热衷于学术的人只好返回安全的乡村,期待着席卷城市的病魔早日离去。在乡村的日子里,牛顿一直被这样的问题困惑:是什么力量驱使月球围绕地球转,地球围绕太阳转?牛顿首次认为,重力不仅仅是行星和恒星之间的作用力,有可能是普遍存在的吸引力。他深信炼金术,认为物质之间相互吸引,这使他断言,相互吸引力不但适用于硕大的天体之间,而且适用于各种体积的物体之间。苹果落地、雨滴降落和行星沿着轨道围绕太阳运行都是重力作用的结果。

人们普遍认为,适用于地球的自然定律与太空中的定律大相径庭。牛顿的万有引力定律沉重打击了这一观点,它告诉人们,支配自然和宇宙的法则是很简单的。

牛顿推动了引力定律的发展,指出万有引力不仅仅是星体的特征,也是所有物体的特征。作为所有最重要的科学定律之一,万有引力定律及其数学公式已成为整个物理学的基石。

当然,当时牛顿提出了万有引力理论,却未能得出万有引力的公式,因为公式中的“G”实在太小了,因此他提出:F∝mM/r²。直到1798年英国物理学家卡文迪许利用著名的卡文迪许扭秤(即卡文迪许实验)较精确地测出了引力恒量的数值。

中国科学家测得引力传播速度。

经过10多年的持续探索,中国科学家在世界上成功获得“引力场以光速传播”的第一个观测证据。中国科学院经过10多年的持续探索在实施多次日食期间的固体潮观测后,发现现行地球固体潮公式实际上暗含着引力场以光速传播的假定,从而提出用固体潮测量引力传播速度的方法。

汤克云科学团组先后实施1997年漠河日全食观测、2001年赞比亚日全食观测、2002年澳大利亚日全食观测、2008年嘉峪关日全食观测、2009年上海-杭州-湖州日全食观测和2010年云南大理日环食观测,主要是重力固体潮观测。

中国科学家们观测研究发现:现今固体潮理论公式中隐含着引力场以光速传播的假定,进而导出引力传播速度方程,并找到求解引力场速度的有效方法。汤克云科学团组随后选择远离太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的西藏狮泉河站和新疆乌什站的固体潮数据作相关校正后,代入引力传播速度方程,最终获得全球“引力场以光速传播”的第一个观测证据。

专家介绍说,牛顿的万有引力定律表明,引力传播是一种超距作用,引力可以在瞬间传播至任意远处,爱因斯坦则认为牛顿的超距作用应该放弃。一直以来,整个物理学界都在期待着通过实验或观测获得引力场传播的速度,但此前均未找到正确的实验或观测方法。

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