第六篇:牛頓的證明和新的天體力學

2020-12-04 一眼回眸S

隨著時間的推移,哥白尼的「日心說」在克卜勒和伽利略為首的天文學家的努力下,越來越被人們接受。克卜勒的三大定律所衍射出來了兩個問題:

1、太陽是宇宙的中心嗎?

2、 為什麼行星的軌道是一個橢圓?為什麼公轉周期與距離有種神秘的數學關係?

上一篇已經提到,第一個問題已經被伽利略證明,那麼第二個問題呢?這一個人即將登場。

在克卜勒去世的第二年的聖誕節,一個偉大的人誕生在英格蘭林肯郡鄉下的一個小村落伍爾索普村的伍牛頓老家伍爾索普莊園。

公元1665年的這一天,從小調皮的23歲的青年坐在一個蘋果樹下偷懶,睡著美美的午覺,突然,來了一陣風,風吹落了幾顆蘋果,一顆正好砸到睡午覺的青年,不錯,他就是偉大的全才天才艾薩克·牛頓。牛頓被蘋果蘋果砸醒,作為「小氣」的牛頓是不能忍的,隨手將一顆蘋果扔了出去,還不解氣,又將另外的幾顆都扔了出去,力氣也是越來越大,突然,腦袋裡出現了一個疑問,為什麼扔出去的蘋果會有遠近呢。

為了解決這個問題,牛頓急不可耐的跑到實驗室開始了實驗,發現向前扔的物體總是在空中做著拋物線運動,而取決於物體能扔多遠取決於剛開始的速度。而不同的大小的實心鐵球以同樣的初速度和方向出發落地點基本一樣,他覺得這裡面一定存在某些數學關係。經過進一步的分析發現,如果鐵球水平扔出,鐵球擁有可以分成兩個方向的速度,一個水平方向的速度,基本和初速度相同;另外一個速度從零開始,一直做向地面的加速運動。如果把這兩個力合在一起,就剛好滿足鐵球的運動軌跡。於是經過大量的實驗、總結和計算,發現了重力加速度G這個常數。而且通過他天才的思維和牛逼的數學物理技巧,居然那麼巧的推算出了引力的大小與石塊到地心的距離的平方成反比,不得不為他的天才感到驚嘆。

後來他想到,既然鐵球的落地點和初速度有關,如果速度足夠大會不會鐵球直接繞著地球一周後落到原地呢?但是條件有限,實驗絕對不可能出現這種情況,也達不到所謂的「初速度」大小,冥思苦想了好久,就是沒有一個好的解決方法。

這一天,天氣晴,牛頓在修完每天必修的《聖經》後,出門散散步,緩解一下這幾天的鬱悶,抬頭望望天,發現月球不就是他說需要的「鐵球」嗎?還自嘲說:「我真傻」。他覺得,月亮圍繞地球轉是因為地球對月球有一個「拉力」,而同樣的,木星對他的四顆衛星是不是也有這樣的力呢?也就是說質量大的對質量小的天體會產生一個「拉力」,那麼質量相同的就沒有嗎?不,不是這樣的,一定也存在。

牛頓大膽的猜想:地球與太陽之間的吸引力與地球對周圍物體的引力可能是同一種力,遵循相同的規律。而這個猜想的依據有兩點:

1、行星與太陽之間的引力使行星不能飛離太陽,物體與地球之間的引力使物體不能離開地球;

2、在離地面很高的距離裡,都不會發現重力有明顯的減弱,那麼這個力必然延伸到很遠的地方。

如果猜想正確,月球在軌道上運動的向心加速度與地面重力加速度的比值,應該等於地球半徑平方與月球軌道半徑平方之比,即1/3600.而這個檢驗的結果是地面物體所受地球的引力,與月球所受地球的引力是同一種力。

經過20年,終於 推導出「萬有引力」,F=GMm/r^2,F=mv^2/r=mrv^2=mr·4π^2/T^2

F表示兩個物體之間的引力,G萬有引力常量,Mm分別表示兩個兩個物體的質量,r表示兩個物體之間的距離。

在康熙25年這一年,牛頓在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下於1687年7月5日出版了《自然哲學的數學原理》。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」(沉重)來為現今的引力(gravity)命名,並定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基于波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。

至此,「地心說」的最後掙扎也沒有了,克卜勒定律衍生的兩個問題也都被證明了。同樣,兩千多年來一直有一個未解之謎,人為什麼沒有掉下去?也被解決了。好的,「日心說」是正確的。

那麼,就這樣就結束了嗎?太陽真的是宇宙的中心嗎?太陽是禁止不動的嗎?現在人們都知道不是的,那這一結果是怎麼得出來的呢?

相關焦點

  • 天體力學一半功勞是牛頓的,後來才催生了微積分和數學物理方法!
    伽利略、牛頓在天文觀測豐富成果的基礎上建立了近代科學特別是經典物理學的研究範式。牛頓將地球上物體運動與天體運動的力學現象統一起來,建立且驗證了牛頓力學三定律和萬有引力定律。法國天文學家拉普拉斯在牛頓力學體系基礎上正式創立了天文學一個新的分支——天體力學,所以說天體力學一半功勞是牛頓的!
  • 改良牛頓力學?新的模擬提出暗物質或並不存在
    一個新的計算機模擬可以在沒有暗物質的情況下形成星系,為一個存在爭議的宇宙理論支持者提供依據,這個理論認為暗物質並不存在。天文學家模擬了星系的形成過程,但沒有使用括暗物質,一些人認為這是一個有爭議的宇宙模型---- 改良牛頓力學模型的勝利。 圖中,淺色的點顯示年輕恆星的形成。
  • 牛頓三大定律有兩個是伽利略發現?為何經典力學還被稱作牛頓力學
    伽利略作為一個距離牛頓力學最近的科學家,他是第一個將實驗和力學結合起來。通過嚴密的數學邏輯推理進行科學研究的科學家,他改變了古希臘亞里斯多德許多錯誤的力學結論和通過觀察總結的研究方法。但是,伽利略所處的時代依然是封閉的中世紀,強大的教會依然在打擊著新的科學思想,這也是伽利略的不幸。
  • 假如牛頓穿越到現在,他能看懂相對論和量子力學嗎?
    引言:著名物理學家牛頓,他曾經提出了很多先進的物理學理論。現在有些人覺得學習這些理論很簡單,便開始質疑牛頓的偉大,殊不知牛頓的偉大不在於理論的高深,而在於他的開創性。想像一下,牛頓穿越到了現在,他能看得懂相對論和量子力學嗎?
  • 牛頓力學又要修正?為了解釋暗物質,科學家提出大膽假設
    牛頓力學的局限  除了暗物質之外,也有科學家利用其他理論來解釋星系外圍恆星運動規律的現象,其中比較著名的就是修正的牛頓動力學。  它不僅可以解釋我們生活中任何物體的運動規律,甚至連宇宙中的天體都要遵從它的法則。因此,直到今天,牛頓力學仍然被奉為圭臬,至少在除了天體運動之外的領域是這樣的。  直到1905年,偉大的愛因斯坦提出了相對論。他告訴我們:牛頓力學在地球上的確適用,但是在宇宙中,尤其是在大質量天體上或者是高速運動的條件下,牛頓力學就不適用了。
  • 牛頓力學
    17世紀的歐洲,經過許多科學家的努力,在天文學和力學方面積累了豐富資料的基礎上,英國科學家牛頓實現了天上力學和地上力學的綜合,形成了統一的力學體系——經典力學。經典力學體系的建立,是人類認識自然及歷史的第一次大飛躍和理論的大綜合,它開闢了一個新的時代,並對科學發展的進程以及人類生產生活和思維方式產生及其深刻的影響。
  • 既然已經將牛頓經典力學從神壇拉下,為什麼我們還要學習它?
    這是一個比較尖銳的話題,畢竟大家都只知道自愛因斯坦的狹義與廣義相對論發表以後,牛頓的經典力學就已經從神壇上被拉下,那麼很多圍觀群眾可能會認為,既然廣義相對論可以囊括一切,為什麼還要學習牛頓經典力學?不是可以掃進歷史的垃圾堆了麼?
  • 牛頓建立了宏偉的力學體系,奠定科學理論的基礎,是最有影響力的
    他通過論證克卜勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性,展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律;為太陽中心說提供了強有力的理論支持,並推動了科學革命。在力學上,牛頓闡明了動量和角動量守恆的原理,提出牛頓運動定律。在光學上,他發明了反射望遠鏡,並基於對三稜鏡將白光發散成可見光譜的觀察,發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律,並研究了音速。
  • 物理學進入了瓶頸期,為何不期待出現新的牛頓、愛因斯坦?
    牛頓和愛因斯坦是有史以來最偉大的兩位科學家,他們在物理學領域都做出了非常偉大的貢獻。牛頓三定律是經典力學的核心;萬有引力定律的發現將天上的力和地上的力統一了起來,從此天體的運動不再神聖。愛因斯坦給出了狹義相對論和廣義相對論,將時間和空間統一了起來,極大地刷新了人類的認識。
  • 174年前的今天,牛頓力學最輝煌的一天
    這一天,也成為了牛頓力學最為輝煌的一天。01 天王星的軌道出了問題?1687年,牛頓撰寫的《自然哲學的數學原理》出版了,牛頓力學從此建立,無垠的星空仿佛一下子被照亮了。牛頓力學有多厲害?到現在為止,以它為基礎的天文學的精度之高,是所有文理學科都無法匹敵的,我們甚至可以通過古書上出現的天象,來計算出準確的年代。
  • 愛因斯坦和牛頓誰更正確?
    「萬有引力定律」,讓關於天體的研究轉移到了力學領域,並且成功解釋了太陽系中天體的運動,讓人類對宇宙有了更加全面和正確的了解,在牛頓提出萬有引力定律之前,人們普遍認為,地球上的定律在宇宙中不適用。因為當時的人們無法解釋天體的運動,比如,月球圍繞地球運動,但是地球上的所有物體都受到重力的影響,為什麼在地球之外的天體不受影響?而在牛頓的萬有引力定律提出後證明,不論是地球上還是宇宙中,人類的定律普遍具有適用性。
  • 為什麼牛頓力學還是純科學的核心?
    ▍牛頓力學歷史地位的演變過程 有人認為相對論和量子力學的出現,在一定程度讓是推翻了牛頓力學,就像當年牛頓力學推翻了亞裡斯多德和託勒密的物理學體系一樣。尤其庫恩科學革命的觀點,把科學的進步看作是一個範式以類似政治鬥爭的方式戰勝另一個範式。
  • 從亞里斯多德到牛頓統一天上和地下的力,過程是這樣的!
    他的貢獻為人類進一步研究天體物理,和後來的牛頓萬有引力打下了良好的基礎。到了17世紀,自然哲學家逐漸展開了一場針對中世紀經院哲學的進攻,他們持有的觀點是,從力學和天文學研究抽象出的數學模型將適用於描述整個宇宙中的運動。被譽為「現代自然科學之父」的義大利物理學家、數學家、天文學家伽利略·伽利萊就是這場轉變中的領軍人物。
  • 牛頓與愛因斯坦誰更偉大?
    近代科學大師輩出,牛頓與愛因斯坦之所以能夠毫無爭議地排在前兩名,是因為他們為物理學,乃至整個自然科學體系指明了發展方向。牛頓創造了力學三定律,並通過「萬有引力定律」在一定限度的解釋了運動的本質及規律。飛機,火箭,汽車的運動原理都是從研究這個問題開始的,因為日月星辰的運轉可以證明牛頓力學,牛頓力學又揭示了力學原理,人們再將力學原理不斷的發展超越,才創造出今天的大千世界。因此,牛頓與愛因斯坦檢驗各自理論的工具都是天文學,都是通過研究天體力學,日月星辰運動開始的。
  • 牛頓的三大成就,力學萬有引力,數學微積分,光學
    幾百年以來,形成近代物理宇宙學的是牛頓,牛頓的《自然哲學的數學原理》是本物理宇宙學讀本,在三大成就,包括力學,數學,光學。都是在大概1665-1666年完成的,然後在哈雷的提醒和幫助下,出書《自然哲學的數學原理》,這本書的出版在物理宇宙學是革命性的牛頓的三大成就是什麼?
  • 近代的伽利略和牛頓眼中的「時間」與「空間」的關係
    因此牛頓所提出來的這個定律精確地預言到了我們地球和月球,以及包括太陽系之中所有的其他宇宙天體之間的運行軌道。 在牛頓的這個「萬有引力」的理論框架之中,牛頓則以注釋的方式闡明了他本人對時間、空間以及物質運動的主要思想和觀點。
  • 天體為什麼會轉?牛頓認為上帝推了一把,但有的天體上帝也推不動
    牛頓在克卜勒以及伽利略的運動研究的基礎上,在1687年出版的《自然哲學的數學原理》提出了三大定律以及萬有引力定律,揭示天體之間運行的秘密。英國天文學家布拉德雷在1748年,公布了他觀測發現地球的章動現象是受到月球影響所致;1783年,發現了天王星的赫歇爾在分析了7顆恆星的運動後,推測出太陽正在向武仙座方向運行。並且赫歇爾通過大量的觀測,第一次繪製出了銀河系形狀。
  • 量子力學和經典力學到底誰更厲害?
    這種現象在我們宏觀世界非常不可思議,宏觀世界我們是用經典力學來解釋。那麼量子力學和經典力學到底誰更厲害呢?今天我就來談談這個問題。首先量子力學的適用範圍是微觀世界,而經典力學是宏觀世界,所以要比較誰更厲害其實很難,就好像一個「短跑選手」和一個「長跑選手」比賽誰更厲害,這是不科學的。不過我們其實量子力學更厲害,為什麼呢?
  • 如果牛頓還活著,他能統一廣義相對論和量子力學嗎?
    牛頓是有史以來數一數二的最偉大物理學家,也是有史以來的三大數學家之一。如果牛頓能夠穿越到今天,以他的興趣愛好及性格特點,他也許仍然會選擇做一名物理學家,不過他在莘莘物理學家中很可能不再出人頭地。最偉大並不意味著他是萬能的,牛頓也有沒有成功解決的問題。
  • 偉大的科學家傳奇之牛頓
    對牛頓的毛髮進行基因分析,認為牛頓是艾斯伯格症候群攜帶者(精神上太過孤僻的狀態),有XQ28基因(同性戀基因)的表現,這更增添了牛頓的神秘感,但並未影響到他巨人的形象。偉大的牛頓的墓碑上鐫刻著:讓人們歡呼這樣一位多麼偉大的人類榮耀曾經在世界上存在。詩人亞歷山大·波普為牛頓寫下了以下這段墓志銘:自然與自然的定律,都隱藏在黑暗之中;上帝說"讓牛頓來吧!