把第谷30年觀察到幾千個數據經過17年辛苦的分析運算最終歸納3條簡潔和諧的運動定律,克卜勒為此感到自豪,只是他不理解,這三條定律背後還隱藏著極其重大「天機」,蘊含著更為簡潔、更為普遍、更為本質的萬有引力定律, 其中的奧秘直到66年後的1685 年才由科學巨人牛頓破譯出來。
下一個問題是什麼原因使行星繞日運轉?在克卜勒時代有對此的回答是小天使在後面拍打翅膀,推動著行星沿軌道飛行。 伽利略發現了慣性定律,即不受任何作用的物體將按一定速度沿 直線前進。再下 個問題是牛頓提出的 ,物體怎樣才會不走直線?他的回答是以任何方式改變速度(大小、方向)都需要力。 所以,小天使們不應在後面,而應該在側面拍打翅膀,朝太陽的方向驅趕行星。換言之,使物體做圓周運動,需要有個向心力。
牛頓發現 蘋果落地」的故事廣為流傳,這故事生動的記載了牛頓的親友對他晚年談話的回憶。 在1965年23歲的牛頓為躲避瘟疫從劍橋大學三一學院退學回到故鄉。當時他正在思考月球繞地球運行的問題,一日他在花園中思考重力的動力學問題時,看到蘋果偶然落地,引起他的遐想:在我們能夠攀登的最高建築物的頂上和最高山顛上都沒有發現重力明顯減弱,這個力必定延伸到比通常想像的遠得多的地方。為什麼不會遠到月球上?如果是這樣,月球的運動必定受到它的影響,或許月球就是由於這個原因,才保持在它的軌道上的。然而儘管在地表上的各種高度上重力沒有明顯減弱,但是很可能到了月球那麼高時,這個力在強度上會與地面附近很不相同。牛頓是從直覺和猜測開始他關於引力的思考的。20年後在他的劃時代著作《自然哲學的 數學原理》中,描述了從高山頂上平拋一個鉛球的思想實驗。他設想,當發射速度足夠大時,鉛球可能繞地球運動而不再落回地 。面。接著他指出,月球也可以由於重力或其它力的作用使其偏離 直線形成繞地球的轉動。牛頓通過一個靠近地面的「小月球」的運動的思想實驗,論證了「使月球保持在它軌道上的力就是我們通常稱為重力的那個力」。
牛頓根據向心力公式和克卜勒定律推導了平方反比關係。他證明:由面積定律可以得出物體受中心力的作用;由軌道定律可以得出這個中心力是引力;由周期定律可以得出這個引力與半徑的平方成反比。他還反過來證明了,在這種力的作用下,物體的 軌道是圓錐曲線—— 橢圓、拋物線或雙曲線,這就推廣了克卜勒的結論。
牛頓通過與磁力的類比,得出「些指向物體的力應與這些物體的性質和質量有關 ,從而把質量引進萬有引力定律。
牛頓通過「月一地檢驗 」,對平方反比關係的正確性,提供了一 個有力地證明。牛頓把他在月球方面得到的結果推廣到行星的運動上去,並進一步得出宇宙間一切物體之間都作用著萬有引力的結論,這個引力與相互吸引的物體的質量成正比,與它們之間距離的平方成反比。他根據這個定律建立了天體力學的數學理論,從而把天體的運動和地面物體的運動納入到統一的力學理論之中,它在人類思想史上具有極其非凡的重大意義,它打破了千 百年來禁錮人們頭腦的舊觀念,指出天上人間服從共同的規律, 世界是可 以認識的,「上帝」也是可以讀懂的。
預見並發現未知的行星,是引力理論巨大威力的最生動的證明,這就是「筆尖下的行星」 ——海王星的發現。
海王星的發現與天王星有關。天王星在被發現之前就已在天文學家觀察的視野裡了,只是在這之前天文學家一直把它當作恆星在觀察。1821年法國經度局要求鮑瓦爾德編制木星、土星和天王星的星曆表。鮑瓦爾德利用建立在萬有引力定律基礎上的大行星攝動理論計算這幾顆行星的位 置,發現木星與土星的理論計算與觀察實際符合得很好,然而對天王星來說則很不理想,按1871 年前後的觀察資料推算的軌道是兩個不同的橢圓。鮑瓦爾德不得已只好捨棄前面90 年的觀察,只用1781-1821年資料編制天王星的星曆表。但他因此而生疑,是1781 年前的觀測不準,還有什麼別的原因改變了天王星的運行軌道了呢? 到1830年以後,天王星星曆表上計算的位置又與觀測實際不相符合了,並且越來越大,到1845年竟大到2秒之多。數據沒問題,應該信任天文學家,那麼是否有一個未知的行星在影響天王星的運行呢?而有些人開始懷疑基於萬有引力定律的大行星攝動理論的正確性。
有兩位年輕的天文學家堅 力理論是正確的,他們始以行星攝動理論預測天王星軌道外那個未知行星的位置,他們 是英國的亞當斯和法國的勒維烈 。 數學系的青年大學生亞當斯自1844年開始思考這個問題並試圖以攝動理論反推未知行星的位置、軌道和質量,這是一項很困難的工作。已知二行星之間攝動,求某一運動軌道較方便,反之從另一行星所受攝動來推算未 知行星的位置、運行軌道和質量則很不易,以前從未有人做過這 一工作。 亞當斯在1845年首先算出這顆未知行星的軌道和質量, 並將結果分別報告了劍橋大學天文臺和格林威治天文臺的臺長但並沒能引起他們的重視,報告一直壓著沒發表,也沒用天文觀 察加以證實。
1845 年,巴黎工藝學校天文學教師勒維烈也開始對這個問題進行研究 ,他是在巴黎天文臺臺長阿拉果 請求下尋找這個未知行星的。勒維烈首先訂正了鮑瓦爾德天王星星曆表中的誤差,然後根據理論值和觀測值,預測 這顆未知行星位於比天王星距離遠二倍處。他進一步根據克卜勒第三定律,算出其周期,又根據一個被稱為「波得定律」的經驗公式推算了這顆行星的質量、位置和軌道。1846 年 9月 18日, 他把計算結果寄給了柏林天文臺的伽勒。伽勒在收到信後立即進距不到行觀測,在第一夜的觀測中就認出了那顆新行星,與預測位置。海王星就這樣在筆尖下被發現了。這一發現帶有一定的機遇和偶然性,因為後來發現他們所用的波得公式並不對,即使如此,海王星的發現仍不失為牛頓萬有引力定律最成功的例證。1930 年,湯姆波夫根據海星運動不規 則性的記載發現了冥王星 可說是前一成就的歷史回聲。
萬有引力定律在太陽系內獲得極大成功。時至今日,在人類航天飛行中進行計算時所依據的還是這個定律。現代物理學中牛頓萬有引力理論的新版本—— 愛因斯坦廣義相對論,已成為現代 天體物理學和宇宙學分析問題的基礎,萬有引力的普適性跨越 宇宙的邊緣。萬有引力是自然界4種基本作用力之 ,它存 在任何二物之間,相對較弱,但作用距離可達「無限」!遠曾有人問李政道,他作為學生剛接觸物理學時,什麼東西給他印象最深? 他毫不遲疑地回答,是物理法則普適性的概念深深地打動了他。 牛頓萬有引力定律堪稱是物理學中普適性的經典楷模,後世無數科學家對此頂禮膜拜,更激發了一代又一代有才華的青年學子對物理學強烈的研究興趣。
從克卜勒到牛頓到愛因斯坦,人類的科學巨匠們將蒙在重重 面紗下的宇宙奧秘一層層揭示出來,真有上帝的話,他老人家又會怎麼想呢 ?