牛顿发现万有引力定律和探究的过程

Question

牛顿发现万有引力定律和探究的过程

Answer 1

小时后,老师告诉我们,牛顿是因为有一天坐在苹果树下打瞌睡,被树上成熟的苹果掉下来打到,就让他发现了万有引力的存在.当然,这只是儿童版的「童话故事」.如果牛顿真那麼天才,他能够「看的到」万有引力的存在,而我就只会把苹果捡起来吃,我想今天我是不会来教各位物理的,我也会没那个勇气来当个科学家了.因为天才身边总是会有奇迹发生.或许苹果落地事件是一个重要的刺激,可是只凭一个单一的刺激是不可能有这麼一个大的发现.
好了,我们该回来到成人版的故事了,到底牛顿是怎麼发现万有引力的存在呢?在谈论万有引力发现的事件时,对於当时天文学及力学的发展情形也得有一些说明,才能了解当时代科学的背景,以及它是如何影响刺激牛顿发现万有引力.
有关力学:
牛顿了解伽利略早先所发展出来的惯性观念,他知道在不受外力作用的情形下,动者恒做等速度直线运动.他也知道若一个运动中物体的速率或运动方向有了变化,其中必定有力的作用.当时的牛顿,受到天文学家哥白尼提出的「地球绕日的圆形轨道」的影响可能正对月亮的运行轨迹不是直线、是绕著地球的圆形轨道而深感困惑.但是他已知道,由海更士提出「一物体要作圆周运动需要施一个向中心的力量」的理论.由天文看,行星绕太阳运动也应需要一向心的吸引力量,可是,这个力到底是什麼?
有关天文学:
西元1543年哥白尼提出天体运行论,以太阳为诸行星的运转中心和地球自转来解释星象,对人类以自我为中心的宇宙观作了一个革命性的改变.其后克卜勒分别在西元1609年提出行星运行第一定律「运行的轨道为椭圆,太阳位在椭圆的一焦点上」及第二定律「等面积定律；行星与太阳连线在相同的时间内,扫过的面积相同」及西元1619年提出的第三定律「周期定律；行星周期T的平方正比於轨道平均距离的立方」这三个定律揭示出几个问题:
1.轨道可以是圆的,也可以是椭圆的,什麼样的作用方式,可以形成这样的轨道运行呢?
2.太阳处於椭圆一焦点上,显示行星是绕著太阳的,是什麼力量使它们绕著太阳转呢?
3.由周期与轨道半径的关系(周期平方正比於轨道半径三次方),这又意味著是什麼作用的方式所形的呢?
牛顿的伟大,就是看出了月亮是一直朝著地球「掉落」的,道理就和苹果的掉落相同.他推论月亮与苹果掉落的原因,都是由於地球重力在拉的结果.
掉落中的月球
牛顿又进一步发展他的想法.他比较了掉落中的苹果与掉落中的月亮,后来牛顿了解到,如果月亮没有朝著地球掉落的话,它将会做直线运动,最后则会脱离绕地轨道,所以他认为月亮正绕著地球而掉落(月球可是很认真的掉唷).因此,月亮必定掉落在那条没受到外力时应该会走的下方.牛顿大胆地假设,月球在重力的吸引下,只是一个绕著地球转的抛体而已.至於月球的切线速度是怎麼来的,可能就是在宇宙大霹雳、创世之时就决定了,而月球的切线速度大小将会决定它绕地球的轨道是圆形、椭圆形、抛物线、双曲线或是撞上地球.
牛顿的万有引力之简单涵义
牛顿并不是发现了重力,他是发现重力是「万有」的.每个物体都会吸引其他物体,而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关.牛顿的万有引力定律说明,每一个物体都吸引著其他每一个物体,而两个物体间的引力大小,正比於这它们的质量,会随著两物体中心连线距离的平方而递减.牛顿为了证明只有球形体可把「球的总质量集中到球的质心点」来代表整个球的万有引力作用的总效果而发展了微积分.然而不管距离地球多远,地球的重力永远不会变成零,即使你被带到宇宙的边缘,地球的重力还是会作用到你身上,虽然地球重力的作用可能会被你附近质量巨大的物体所掩盖,但它还是存在.不管是多小还是多远,每一个物体都会受到重力作用,而且遍布整个太空,正如我们所说的「万有」.