了不起的物理学·万物有引力

作者简介

余襄子，毕业于上海外国语大学，科普类读物专业作者，公众号“襄子的箱子”主理人。阅读广泛，创作涉及诸多领域，已出版图书《希腊那些神》《数学有万物》《你好，数学思维》《费曼学习法》《与自己和解》《经济学的秘密》《博弈论的秘密》《心理学的秘密》以及“了不起的物理学”系列等。

内容简介

第七章 千呼万唤始出来的牛顿 终于，科学穿过漫长的中世纪，经由哥白尼、开普勒与伽利略等人的开创，迎来了一段黄金岁月，似乎之前所有的黑暗都是为了等待一个人——牛顿。 牛顿的童年并非锦衣玉食，他三岁就被寄养在外婆家，虽在孤独中成长，但他的思维很活跃。当别人家的孩子在田野里跟着爸爸妈妈玩耍的时候，他只能一个人躲在角落里，时而运算一些数学公式，时而抬头仰望星空。 牛顿究竟强在哪里？ 在人类历史上，真正能被公认为强人的人，屈指可数， 他们要么是以一己之力，推动了人类的整体发展；要么就是一个民族的引领者，带领整个民族走向了繁荣富强；要么就是独自一人，创建了一整套科学体系。无疑，牛顿就是后一种人。 2000年，《时代》杂志评选人类历史上最有影响力的人，排在第二的就是牛顿。在中国，我们在童年时期就听说了牛顿，牛顿更多是以一位杰出的科学家而闻名，但在西方世界，牛顿还是一个开启近代科学发展的思想家。 在数学领域，他与德国数学家莱布尼茨各自独立发明了微积分和二项式定理；在物理学领域，他创建了力学的三大定律和万有引力定律；在光学领域，他用三菱镜发现了白光由七种颜色的光组成，并提出了光的微粒说；在天文学领域，他利用自己创建的经典力学和微积分，构建了当时最为先进与准确的太阳系模型。 当然，以上只是他在“术”的层面，在“道”的层面，他为同时代以及后人打开了一个理解世界的视角与窗口，并构建了很多庞大的学科体系。可以说，他的最伟大之处，在于改变了人们看世界的方式。 尽管牛顿以前的人就已经在数学和物理学上掌握了很多知识，但都是一些零散的知识，不成体系。是牛顿将其整合起来，完成了其科学化的过程。建立一套学科体系，最主要的就是要定义清楚各种基本的概念。比如物体的质量和所受到的重力，在很多时候都被混为一谈；速度与加速度，人们也难以区分其中的差别。 牛顿定义了经典物理学中的这些基本概念，这本身就是一项了不起的成就。 在牛顿之前，开普勒与伽利略已经为他做好了铺垫。牛顿用万有引力解释了宇宙中日月星辰运行的规律，也从理论上解释了开普勒的三大行星运转定律，将其数学化。同时，他继承了伽利略有关惯性定律的研究，将其发展成了自己的力学三大定律，成了日后经典力学发展的基础。 有一点需要注意，要用一套理论解释一个现象非常容易，甚至拍拍脑袋就能想出一整套能够自圆其说的假设，但牛顿的厉害之处在于，不仅用了一套理论来阐释天体运行的规律，还能用这套理论做预测。 比如，你今天肚子很疼，不知道怎么回事，其实我可以想出很多理论来解释你的肚子疼。我可以说，你昨晚睡觉着凉，也可以说，你吃了坏东西；甚至可以说，你因为昨天作业没写所以才这样。这些解释最大的缺陷就在于无法证伪，且无法预测。 如果我说你肚子疼是因为昨天将冰箱里的牛奶拿出来直接喝了，那么当你下次还这么做之后，或者其他人也像你这么做了之后，都出现了肚子疼的情况，反之则没有，那么我的这个理论才算是有了那么一点科学味道。 与牛顿同时代的天文学家哈雷，在《原理》一书中利用牛顿的理论，准确地预测出了一颗彗星回归的时间，这颗彗星就是著名的哈雷彗星。一百多年后，人们发现了天王星，但其运行轨道与用牛顿理论计算出来的不符，因此有人猜测，在这颗星的周围，还有一颗大行星的存在，因此人们发现了海王星。这些都是牛顿理论的可预测性。 在牛顿之前，几乎所有的科学家都是先在现实世界中观测到一个现象，而后发现规律，但是在牛顿之后，很多新的发现是先通过理论推导，预测可能会观测到的现象，然后才通过实验证实。哪怕是到了现在，人们也都在用这种办法，很多新粒子的发现就是基于此，先是理论计算而后再去实验室里找可能的对应粒子。 牛顿更大的意义在于给人提供了更稳固的信心。从古希腊开始，就有一些人认为这个世界是可以被人的理性所认识的，但历经千年之后，大部分人对此并没有很好的认识。基督教中更有一派认为，这个世界是任意的，因为上帝的意志是捉摸不透的。人根本无法理解上帝创造的这个世界。但是牛顿之后，人们的信心空前增长，原来这个世界并非以前所认为的无法预知。 这也催生了整个社会观念的转变，机械宇宙论逐渐深入人心。只要我们够努力，那么世界上的万事万物都能被我们所理解，人类的明天与未来将会越来越光辉。 所以，你现在知道牛顿的地位为什么那么高了吧！ 牛顿与万有引力 有一个故事流传很广，说牛顿之所以想到万有引力，是因为有一天他坐在苹果树下，突然，一颗苹果掉了下来，砸在了他的头上。牛顿顾不得疼痛，捡起苹果仔细端详，心想，苹果为何要掉下来呢？为何不朝天上飞去呢？想着想着，一股神秘的力量在他的脑海中酝酿着。于是乎，万有引力就这么被牛顿想出来了。 实际上，这个故事是虚构的，最早见于伏尔泰的笔记中。伏尔泰比牛顿小一辈，是法国启蒙时期最重要的思想家之一，也是牛顿的一个狂热粉丝。早年他被法国政府流放到了英国，当他来到英国的时候，牛顿已经去世，这个故事是从牛顿侄女那儿听来的，属于道听途说。 当我们对那一段历史稍有了解之后，便会发现，牛顿不需要苹果，因为他一直在思考这个问题。当时的天文物理学经由哥白尼、开普勒与伽利略的发展，已经趋于成熟，成为了一门显学。任何读过书的人，在大学任教的人都会讨论起它，就像现在的人谈论人工智能一样。 月球一直以来就带有神秘的面纱，牛顿知道月球是一个在太空中高速旋转的物体，那么问题就来了，为什么会这样？用肉眼看过去，月球的大小和太阳的大小差不多，正是因为这样的巧合才使得在地球上可以观测到日食的壮观。 在牛顿以前，人们大都认为月球是空的，因此才会悬浮在太空中。但是望远镜的出现否定了这一猜想。月球是一块巨大的石头，这就更让众人摸不着头脑了，既然是石头，为何不落向地球呢？ 牛顿认为，月球确实会向下坠落，那么问题又来了，怎么会有物体不断下落却永远不落地呢？ 问题越来越多，牛顿心想，要是能有一段属于自己的时间该多好，这样就可以专心致志研究这些问题了。 机会很快就来了，1665年，牛顿拿到了剑桥大学三一学院的学位，同时，伦敦发生大规模的瘟疫，他所在的大学为了预防瘟疫而暂时关了门，他便回到了家乡，系统地将自己的想法整理成笔记。他自己曾说，那时的他正处于创造力的巅峰。 1666年，伦敦发生了火灾，这场火就像是点燃了牛顿内心深处的小宇宙，烧出了一个关于万有引力的雏形。这一年也被称为物理学上的第一个奇迹年。牛顿开始探索关于重力的性质。自从开普勒发表了他的行星运动定律以来，人们曾经做过许多尝试，企图依靠地球上的力学原理来说明行星的行为。欧洲大陆上的笛卡尔用似是而非的原子涡动来解释行星的运动。他认为太阳系是一个巨大的“原始物质”的旋涡，地球和行星在其中无依无靠地围绕着太阳旋转，就好像物体被河里的涡流或旋涡带动着旋转一样。 牛顿似乎一开始就确信笛卡尔所想象的太阳系在动力学上是没有任何依据的，因而不能接受。他试图发展出一套令人满意的理论，认为使月球保持在其轨道上的力可能与物体被拉向地心的力相同。 那么问题又来了，如果月球确实受到了地球引力的影响，经过了这么长的距离，引力必定会减弱，其减弱的程度如何？ 对此，牛顿从两个方面进行了猜想与解答。 现在，让我们假想有一个人，站在离我们10米远处，手里拿了一个手电筒，朝着我们的方向打开了开关，我们会看到手电筒中射来一束光芒。然后，那个人又跑到距离我们20米远的地方，朝着我们的方向打开了同样的手电筒，我们看到的光芒和原来的光芒相比，其亮度是一样的吗？ 显然，光的强度会减弱。当我们与光源的距离增为2倍，并不代表光线亮度刚好减半，而是只有原来的1/4。如果将距离增为10倍，则光线亮度将只有原本的1/100。 牛顿因此而猜想，引力就像光线的强度一样，与距离的平方成反比。 第二种方法，也很简单，通过结合开普勒有关行星轨道的尺寸和速度的第三定律，以及他自己对物体呈圆形运行的观察所得，牛顿计算出引力的强度。他同样发现引力遵循平方反比定律。 在当时人看来，牛顿没有将他的发现公之于众，而是默默记在了自己的笔记本上。他觉得这一切还不完善，还有待修改与整理。 结果，这一等，就等了十几年。 ？ 原创力？一部真正亲近中国孩子的科普作品：在童书领域，特别是青少年阶段，此类原创科普书非常稀少，无论是想要满足课程需要，还是希望帮助孩子建立完善的知识体系，写一本亲近中国孩子（青少年）的科学读物都十分必要，这本书可以作为孩子了解物理学、科学、宇宙观发展史的一本原创入门书籍； ？ 创新力？文学的故事+史学的视野+科学的思维=精心打造有温度的原创“软科普”：本书角度独特，用从古到今人类不断探索宇宙奥秘的精彩故事，系统地梳理了牛顿及他之前，整个天文物理学到力学发展史。用有温度、好理解、易接受的文字讲述客观的科学史，真正打破学科的壁垒，提起孩子多方面的阅读兴趣，提升他们的阅读广度和深度； ？ 视觉力？精美的设计，惟妙惟肖的插图，双色环保印刷，图文并茂，回到科学现场：本书的篇章页及内文由青年插画师绘制漫画式精美插图，辅助幽默通俗的文字，呈现阅读的视觉盛宴； ？ 专业度？专业审读：文末增加每个小节关键知识总结，化繁为简，轻松掌握关键知识点。