也是英國的一場疫情,讓牛頓提出了萬有引力,統一了宇宙運動規律

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要說萬有引力，幾乎沒有人不知道的。這是英國著名的物理學家艾薩克·牛頓在1687年提出的力學理論。這種引力存在於宇宙中大小角落，大到月球、地球、太陽、星系、黑洞……小到分子、原子、原子核……也就是說，只要有質量的物體都有引力。

萬有引力的表達式是：F=G×（M1·M2）/R（F是兩個物體之間引力大小，G是引力常量6.67×10牛頓×m/kg），M1是物體1的質量，M2是物體2的質量，R是兩物體的距離）。公式表明了物體之間質點的連線上存在著吸引力，物體質量越大引力越大，距離越大引力越小。闡述了物體之間力的關係，解釋了太陽系的天體為什麼都繞著太陽不斷運轉，地球上的物體為什麼不會飛出地球，統一了地面上的物體與天體運動的定律。

然而這個定律的提出卻醞釀了20年之久，牛頓是從1665年至1687年結合了伽利略、克卜勒、雷恩、哈雷、胡克等前輩科學家的力學理論上總結出來的成果。

疫情中的蘋果

1665年秋天，英國首都倫敦爆發了一場鼠疫，人人自危，無不想馬上離開那個「瘟城」。在牛津大學就讀的牛頓只得回到林肯郡五兒索普村的老家避災，等待疫情過去後再返校。

這一天，牛頓正在自家的蘋果莊園閒坐，欣賞著蘋果樹在秋季裡展現成熟的果實，默默思索著數學裡的微積分、自然界裡光的秘密、物理學和天體運動的秘密……

這時，一顆蘋果砸到了正在沉思的牛頓的頭上，將牛頓從遙遠的思緒拉回到了現實。他撿起這隻通紅的大蘋果，腦海裡浮現出一個個奇怪的念頭：

為什麼蘋果熟了只會向下落？不會向天上飛？是什麼力量在吸引它？難道是地球？如果蘋果樹再高一點蘋果還會落下來嗎？如果高到月球呢？為什麼月球不會落向地球……是不是地球有一種力量，可以讓物體吸附在它的表面而不會拋向太空？也是這種力量讓月球可以一直繞著地球轉動？

蘋果+牛頓=萬有引力

這個故事常會出現在小學故事書中，是否真實無需去驗證了，我們只要知道牛頓確實從地面物體的運動拓展到了天體運動，最終得到了著名的萬有引力定律，並沿用至今，讓人類飛出地球、踏上月球、登上火星。

萬有引力

於是牛頓在此後的20年裡一直都在鑽研這個問題，他的研究線索就是離心力——向心力——重力——萬有引力。

1665年～1684年，牛頓由伽利略的離心力與向心力設想，以及克卜勒第三定律（行星運動定律），初步得出了離心力定律。表達式是F=a×m（F是離心力，a是向心力+速度，m是質量），就是物體離開中心的運動，跟它的速度與質量有關。

離心力

1684年，牛頓在《論迴轉的物體》手稿裡首次提出了向心力。就是物體在圓周或圓弧軌道上運動時會受到各種壓力，這種壓力是指向中心的，表達式是：F=Mωr（M是質量；ω是角速度，就是物體在單位時間內所走的弧度；r是半徑，就是運動軌道到中心距離）。它遵循牛頓第二定律。

重力不同於引力，它的方向是垂直向下，不一定指向地心。它的大小跟物體質量有關，重心在物體的幾何中心，就是質量的中心。公式是G=mg（m是質量，g是9. 8N/kg）。可用儀器測量出來，不過在地球上赤道的重力是9.79，兩極是9.83。雜技表演裡的板凳疊羅漢就是利用了重力，讓疊起來的板凳等物體可以平衡。

疊板凳

1687年，牛頓在《自然哲學的數學原理》中提出了萬有引力，他認為

地球與太陽之間的吸引力，跟地球對四周物體的吸引力是一種力，遵循同樣的規律。

就是這種力讓地球周圍的物體飛不出地球，就像蘋果只會落向地面；它讓太陽系裡的天體一直繞著太陽運轉，而逃不出太陽系；而在地球的高空仍然有種力的存在，可以延伸到月球之上。

那麼，地月之間也必定有種力，它運動時的向心加速度與地面重力加速度之比值，跟地球半徑平方與地月距離平方之比值是相等的。這樣月球既不會砸向地球，也不會飛離地球，地月之間形成了穩定的地月系統。推而廣之，太陽系、銀河系乃至整個宇宙亦是如此。這種力就是萬有引力，因為它適用於宇宙萬物。

自此，牛頓統一了宇宙天體以及地面物體運動的規律，建立了人類自然物理學及宇宙學的裡程碑，推翻了古人迂腐的神力之說，為人類探索宇宙太空建起了信心！

不過牛頓的萬有引力後來經過愛因斯坦廣義相對論的修正。相對論認為讓天體運動的不是引力，而是天體自身的大質量使周圍的時空發生了塌陷扭曲，進入這片塌陷時空裡的物體自然會落向天體。於是愛因斯坦取代了牛頓，「接管」了宇宙。

但，廣義相對論仍在論證階段，有很多雖然得了證實卻還不能得以實用。就像引力波、黑洞、時空曲率……如果我們能將這些都付諸實際，相信我們穿越時空的那一天不會太久了！