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仰望星空与物理学之二

January 5, 2018 • Read: 114 • 杂谈

当古人仰望星空时,总是充满了无限的遐想。那是1066年中的一天,也是英国历史上最重要的一天,那天出现了彗星,一个彗星划过了黑斯廷斯战场的上空,它使哈罗德国王的军队感到惊恐,同时一个来自诺曼底的年轻人横扫英格兰,并在黑斯廷斯战役打败了哈罗德国王,建立了君主立宪制。

英国人不禁要问了,彗星是从哪来的?它是什么?这是一种神迹吗?

当这颗创立君主立宪制的彗星在1682年再一次划过伦敦的上空时,每个人都在心中提出了自己关于这颗彗星的疑问,在伦敦掀起一股“彗星热”。“彗星从哪里来?”“它们是国王即将死去的预兆吗?”“为什么上天会派信使来?他要传递什么信息?”

那时已经有人发现行星沿椭圆形(而不是圆形)轨道围绕太阳运行。此后,科学家们便纷纷狂热地试图用数学方法解释这些轨道,但没有一个人成功。

有一个人勇于解读这颗彗星,他就是艾萨克•牛顿。据说23岁的牛顿有一天在乌尔斯索普庄园里散步时,看到一个苹果掉了下来,或者砸在了他头上。然后他看了看苹果,又看了看天上的月亮,接着,他提出了一个关键性的问题:如果苹果会下落,那么月亮也会下落吗?回答是:会。

这个答案推翻了人们几千年来对神秘的天体运动的猜想,并且有了伽利略的“帮助”,他还得出:月亮像苹果一样处于自由落体状态,并且朝着地球持续不断地降落,它不会撞到地球是因为它围着地球旋转,而且地球是圆的,但它受到一个力的作用——引力。

牛顿立即尝试用数学的方法解释这个问题,随后他发现17世纪的数学水平还不能算出一个处于下落的月球的运动。所以牛顿就创立了微积分。

当然这个过程可能比学习微积分还要漫长,但为了计算出下落的月球的运动,这是值得的。并且从他此后得出的结论来看,简直是太值了。他算出了月球的运动,之后他也弄明白了太阳系行星的运动。他还发明了一种新型望远镜——反射式望远镜,用来观察彗星的运动。

既然说到每一个英国人都处在这股“彗星热”中,那自然也包括一个有钱的叫埃蒙特•哈雷的人,作为一个商人,他就决定去剑桥拜访这位英国杰出的科学家。他们的对话可能是这样的:

哈雷:“现在人人都在讨论彗星,可是根本不可能讨论出什么。您了解彗星吗?因为它太神秘了,没人知道它是怎么来、怎么运作的。”

牛顿:“不,这挺简单的。彗星沿着完美的椭圆路径运动,这是一种平方反比立场中的运动。我每晚都通过我的反射式望远镜观察它们的轨迹,而彗星的轨迹正好和我的运算结果相印证,且丝毫不差。”

我们难知道哈雷当时是怎样的心情,但接下来的事我们都了解了:牛顿在哈雷的鼓动和资助下,将他的研究数据以及结果写成书出版,将繁星运动的奥秘公之于世,这本书就是《自然哲学的数学原理》。

这本划时代的书不仅解释了彗星的运动,事实上解释彗星运动只是顺便的事。因为他还将之前对地上物体观察实验所得出的结论和行星运动的规律一并出版,这就是牛顿三大定律和万有引力定律。

尽管牛顿本人并未声称自己要构造一个体系,他本着“致力于发展与哲学相关的数学”的目的、“由动现象去研究自然力,再由这些力去推演其它的运动现象”的任务创作此书。但实际上他构造了一个人类有史以来最为宏伟的体系。他所说的力主要是重力,现在称之为引力或万有引力,以及由此衍生出的摩擦力、阻力和潮汐力等。运动包括落体、抛体、球体滚动、单摆与复摆、流体、行星自转与公转、回归点、轨道章动等。简而言之,包括当时已知的一切运动形式和现象。也就是说,牛顿是要用统一的力学原因去解释从地面物体到天体的所有运动和现象。牛顿开创了运动力学。

这本书奠定了近代以来物理学在整个自然科学领域的榜样地位。几乎从此以后每一门科学的发展都以成为物理学那样完美的演绎逻辑体系为最终目标。据说有位心理学家想仿照物理学建立现代科学心理学的演绎逻辑体系,虽然不是很成功,但至少为我们指明了任何一门科学发展的最终目标。

直到今天,当我们发射宇宙探测器时,我们用的不是爱因斯坦的方程,因为只有当物体速度接近光速或身处黑洞附近时它们才有用。我们用的是牛顿的万有引力定律。我们能解开太阳系的奥秘,靠的也是牛顿在17世纪就得出的方程。
如今的机器都遵循着明确的牛顿三大定律。第一定律指出物体会一直保持它的运动状态不变,除非外力作用迫使它改变运动状态。这就和亚里士多德的定律不同,前文我们提到,亚里士多德认为运动中的物体慢下来是因为它累了,要维持物体作匀速直线运动,就需要有恒定的推动力。至于对错,我想也不必多说。

第二定律说力等于物体的质量乘以加速度,也就是F=ma。正是这一公式使工业革命成为可能。蒸汽机、火车头、一座座工厂、一个个机器,都源于此公式。

第三定律讲的是每一个力都存在另一个与其等大反向的力,这也是火箭飞行的原理。

当科学家揭示了宇宙的第一基本力——万有引力,就引发了第一次工业革命,并且推翻了欧洲的皇权,取代了封建统治,引领了一个新时代。而这一切只是因为一位23岁的绅士仰望星空,并问了一个问题:月亮也会下落吗?

未完待续...

作者:红壳荔枝

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