文明的起源:28.近代物理學的奠基人—牛頓

2020-11-29 文明的起源

人類創造的世界光彩奪目,絢麗耀眼,令人讚嘆稱奇。它為什麼是現在的這個樣子?迎著陽光,在現代文明精緻的面龐和魁梧的身軀後面,有一條長長的影子,從那裡,可以看到歲月、歷史和長路。

文明的起源:28.近代物理學的奠基人—牛頓

為什麼你跳起來馬上要落下?為什麼你丟出去的任何東西都會落在地上或者某種支撐物上?為什麼水會往低處流?這些問題中的現象是我們每天都會經歷,都能看到的,而且即使不進行任何試驗或者觀察,我們也絕對能預測結果,因為這就是經驗事實和信念。然而要解釋這些事實,恐怕不那麼容易。但曾經有一個英國人給出了他的解釋,讓我們來看看他在他的著作《自然哲學的數學原理》裡的說法吧:「如果由實驗和天文學觀測,普遍顯示出地球周圍的一切天體被地球重力所吸引,並且其重力與它們各自含有的物質之量成比例,則月球同樣按照物質之量被地球重力所吸引。另一方面,它顯示出,我們的海洋被月球重力所吸引;並且一切行星相互被重力所吸引,行星同樣被太陽的重力所吸引。由於這個規則,我們必須普遍承認,一切物體,不論是什麼,都被賦予了相互的吸引力(gravitation)的原理。因為根據這個表象所得出的一切物體的萬有引力(universal gravitation)的論證……」。

這本書出版於1687年,作者是英國科學家艾薩克·牛頓,他為解釋地球上物體受地球吸引和行星運動規律而提出的吸引力理論就是「萬有引力定律」。被翻譯成「引力」的英文單詞"gravity"是牛頓創造的,來源於拉丁文"gravitas" (沉重的意思)。

按照牛頓的說法,每兩個有質量的物體之間,都存在萬有引力,兩者之間的吸引力用下圖的公式計算:

首先,F1=F2表示萬有引力在兩個物體之間是相互的和相等的,牛頓在《自》中說:「兩個物體之間的作用力和反作用力,總是大小相等,方向相反。力不能離開物體單獨存在。」這段文字現在被視為「牛頓第三定律」。然後,公式中出現的m(質量)是什麼?就是物質的量。我們在超市買食品,一個蘋果有多重,一個雞蛋有多重,用天平或者電子秤稱一下就知道,一個蘋果50克,一個雞蛋40克,差不多10個蘋果是一斤,13個雞蛋有1斤多,這就是質量。計算時,m採用千克為單位。

G是什麼呢?牛頓說這是「萬有引力常數」。他認為公式中必須要存在這個項目,但他也不知道G是多少,他只是認為G存在,而且是常數。100多年後的1790年代,英國一位物理學家卡文迪許用扭秤測出了G的值,是6.67259×10-11,也就是0.0000000000667259,單位是N·m2/kg2。

卡文迪許用於測量G值的實驗,我們可以簡單的提一下:他想盡辦法創造了一個完全不受外界影響(比如風、地震、噪雜的聲音帶來的空氣振動等)的房間,把兩個一樣重的鉛球掛在杆子的兩端,在杆子的中央找到讓杆子平衡的點,並在這個點栓上石英絲並掛起來。然後在兩個小鉛球的不同側分別靠近兩個大鉛球,因為引力的存在,小鉛球就會動,帶動杆子旋轉。多次測出杆子旋轉的角度,就能計算出萬有引力常數了。(這個測量方法是以萬有引力公式為基礎的。)

一頭大象和一隻螞蟻之間,就存在萬有引力,兩頭大象之間也是如此。如果把兩頭大象和一隻螞蟻放在一起,它們誰會被誰吸走呢?螞蟻被大象吸走嗎?還是兩隻大象吸在一起?你知道這肯定不會發生,因為除了磁性的吸引、正負電荷的吸引、或者空氣壓力和流速變化形成的吸引之外,我們絕沒見過兩個物體無緣無故被吸引在一起。我們試試把兩頭大象或者一頭大象一隻螞蟻的質量代入牛頓給的萬有引力公式計算一下,那力量還不足以抵抗它們和地面的摩擦力或者空氣阻力。如果將一隻螞蟻緊挨著大象呢?在想像中好像也看不出有吸引力。所以你不可能在地球上看到兩個物體會因為萬有引力被吸在一起,但我們沒有理由否認它的存在。萬有引力基本上是為了說明質量龐大的天體之間的相互作用力,而且目前看來是正確的,有效的。

200多年後的物理學家愛因斯坦,對萬有引力存在的根源作出了他的解釋。愛因斯坦在他的廣義相對論中提出這樣的見解:由於有物質的存在,空間和時間會發生彎曲,而引力場實際上是一個彎曲的時空。

空間扭曲的形意圖

這些偉大科學家解釋事物的方式,不一定正確,或者他們也僅僅看到了一些表面現象而做出了預言。但在其他人或者我們自己都沒有更合理更深刻的認識和預言時,我們就暫時認為這些科學家是對的。至少到目前為止,根據這個萬有引力定律,我們能解釋:地球圍繞太陽轉,是因為太陽對地球的引力存在;大海的潮漲潮落,是月球對地球的引力作用;為什麼地球沒有遭受小行星的襲擊?因為太陽的引力要遠大於地球的引力;還有很多,包括這個章節開頭提到的問題。

我們把牛頓作為近代物理學的奠基人,除了他提出了萬有引力定律,還有牛頓運動三定律。1703年,牛頓當選為皇家學會會長。

19世紀中晚期的奧地利物理學家恩斯特·馬赫評價牛頓說:「自從牛頓時代以來所取得的一切成就都是牛頓力學在演繹上、形式上和數學上的進展。」這一方面意思是說明牛頓理論的影響深遠,另一方面的意思是17世紀到19世紀的物理學沒有驚天動地的變化。但實際不然。19世紀的科學界還沒有看到牛頓之後的物理學理論產生實際效果和巨大作用,所以認為不足為奇,比如熱學和電磁學。直到20世紀人類進入電氣時代,18、19世紀的物理學理論才真正因為對人類的巨大貢獻而找到了其應有的地位。打個比方:一個少年從他的孩童期開始就被看作是一個普通而平凡的人,直到他在中年時聲名鵲起,人們才會驚訝地發現他曾經不凡的少年時代。

如果認為電磁學中的庫侖定律是受萬有引力公式的啟發而作出的演變,那麼實際上,牛頓是從他的前輩克卜勒的行星運動三大定律基礎上推導出萬有引力公式的。科學發現就是一個接力的過程,互相借鑑,互相啟發。

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