科學認識君的《通俗物理100課》系列

【第四課：引力理論發展簡史】

想必大家對萬有引力理論再熟悉不過了。我們都知道有質量的物體會相互吸引，這是引力的精髓思想。但要是僅知道這點東西，那麼你對引力的認識還很膚淺。

在牛頓功成名就之後，他曾說過這樣的名言，“如果說我比别人看得更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上”。誠然如此，在牛頓之先，前人已經探索了萬物的運動規律。

不管是古代東方還是西方，都有類似天圓地方的自然理念。那時候的人類無不認為浩瀚無垠的星空都是繞地面旋轉着，多彩的繁星是神創造給人類的黑夜點綴。

可是哥白尼的出現，讓地心論第一次感受到了危機。哥白尼發現，如果所有的天體繞地球旋轉，那麼星體的運動軌迹就複雜無比。倘若星球繞太陽旋轉，那麼事情就簡單得多。

本着“如了無必要，勿增實體”的哲學理念，中年時期的哥白尼提出了日心說。但擔心遭到教會的迫害，就辯稱自己的理論不違背《聖經》 。盡管認慫了，他依舊憂心忡忡，畢竟在那個年代，敢質疑教會的人隻會遭到火刑的懲罰。哥白尼直到晚年才發表了自己的《天體運行論》，日心說的思想被廣泛傳播開來了。

哥白尼的繼任者是布魯諾，這家夥比哥白尼的思想還激進。他不僅承認日心說，甚至還提出了超前沿的無限宇宙學說，認為宇宙是無限大的，太陽隻是衆多恒星的一個，宇宙中有無數多的“太陽”，地球和人類在宇宙中隻是渺小的蝼蟻。羅馬教廷聽了如此“混賬”的言論後火冒三丈，嚴刑拷打了布魯諾，逼着他忏悔。最後不屈不撓的布魯諾被活活燒死。

布魯諾之死，1600年

和布魯諾同時期的還有一個占星師，這就是第谷，他夜觀天象，天天研究天體們的運動。得出了大量的天體運動數據。結合數據分析，第谷認為天上的行星的确繞太陽旋轉，但他卻不是哥白尼的簇擁者，第谷認為即便天上的行星都繞太陽旋轉，但太陽卻會攜帶着衆多的“小弟”又繞地球旋轉，反正地球還是老大。第谷或許是吸取了教廷反對者的前車之鑒，不得不投靠地心說，畢竟活着不好嗎。值得一提的是，第谷這種“星繞日，日又繞地”的理論傳到明朝後，甚至一度被接納！

第谷有個助手，也是他的學生，叫開普勒。在第谷死後，開普勒繼承了第谷的研究。并提出了開普勒三大定律。

開普勒

他發現第一條定律：所有的行星都以橢圓軌道繞太陽旋轉，太陽處于橢圓的一個焦點上。

太陽位于其中一個焦點

第二條：行星距離太陽近時就運動得快，遠時則快，并且單位時間内行星掃過太陽的面積相等。

單位時間内掃過的面積相等

第三條：任何兩個行星的周期T的平方正比于它們各自軌道半長軸a的立方，所以常數k=a³/T²

開普勒第三定律動态演示圖

以上是牛頓之前，西方對天體的研究簡史。回到地面上，伽利略這時候察覺到了一個極其重要的規律。他認為，如果一個物體沒有受到任何外力的幹擾，那麼該物體就會永遠保持最初的狀态。一個物體起初靜止，若沒有外部幹擾，它就永遠靜止。如果物體起初就運動着，若沒有外部幹擾，那它就一直保持勻速直線運動。這就是慣性定律的雛形，可是伽利略并不清楚其中的緣由。

這時候壓軸大神登場了。牛頓結合開普勒的三大定律和伽利略對慣性的思考提出了驚人的萬有引力定律。

牛頓

牛頓在想，為什麼地球不是勻速直線運動在宇宙中？地球貌似沒有受到任何外力啊，地球繞太陽旋轉，肯定是一種力施加給了地球，這個力是太陽給的嗎？ 當牛頓的看到蘋果落地之後，啟發性的認識到萬有引力後。這時候他才知道，太陽也給地球施加了引力。

地球吸引了蘋果，在引力的作用下，蘋果落地了。那太陽也給地球一個力，為啥地球不落向太陽呢？

牛頓認為地球也會落向太陽，但地球一開始就有一個初速度，在引力的作用下，地球偏離了原有的初速度方向而落向太陽，就和平抛運動一樣，不過由于地球初速度比較大，導緻地球繞太陽一周都沒有落到太陽表面，于是地球就繞太陽旋轉了。

結合開普勒定律，牛頓認為兩個物體距離越遠，其吸引力越小，所以引力大小和距離的平方成反比。如果兩個物體質量越大，其吸引力就越大，所以引力大小和彼此的質量乘積成反比。

萬有引力公式

為了讓萬有引力的力和牛頓第二定律的F=ma統一起來，就需要一個引力常數。後來卡文迪許通過扭秤實驗精确的測量出來了引力常數G，這樣萬有引力公式就完美了。有了常數G，人類終于計算出來了地球的質量。

牛頓提出萬有引力之後，陷入到一個更深度的問題中。是什麼推動了引力？牛頓的答案就是上帝。還有一個問題羁絆着牛頓，這個問題甚至為相對論的建立埋下了伏筆。牛頓在思考，在宇宙深空中，兩個星球的引力是通過什麼傳遞的？生活中你要搬動一張桌子，就要接觸到它，不可能憑空移物，這時候手就是力傳播的介質；吹滅蠟燭，是因為嘴巴先把力傳給了空氣，空氣的氣流再把蠟燭撲滅；在水面上放一個小球，攪動水面，小球就會被動颠簸起來，這時力的傳播借助的是水，我們很容易得出這樣的結論：力傳播的介質必須是物質。

而在宇宙中，一個星球和另一個相隔那麼遙遠，彼此還有一種吸引力，那麼誰來充當引力傳播的介質？ 反正真空是不可能傳遞力的，引力作用也不可能是超距作用，那這個介質又由誰來充當？這時候牛頓就借助了亞裡士多德的以太概念，牛頓讓以太這種“物質”勝任引力介質的艱巨任務。牛頓認為：正是宇宙中充滿了看不見摸不着的以太，才使得引力的傳遞有了介質。以太就是引力作用的傳播者。

充滿“以太”的宇宙

就是這個以太，可把後來的物理學家“害慘了”（調侃而已，以太也間接地促進了科學的發展）。光說無憑，你倒是驗證啊！後人用了100多年的時間，進行了大量的實驗，反正就是找不到以太的存在證據。其中有個邁克耳遜-莫雷實驗還直接否定了以太的存在。這時候牛頓的萬有引力赤裸裸地變成了“超距作用”，沒有人願意相信這一切，連牛頓本人也不願相信。用網絡流行語來說，牛頓終于把引力理論變成了自己不願相信的理論了。在微觀領域，伴随着量子力學的發展，牛頓力學瞬間有涼涼的節奏。

直到1915年，愛因斯坦提出了新的引力理論，也就是時空彎曲理論才解決了引力的介質問題。

在時空彎曲理論中，壓根就不需要什麼以太充當引力的介質。因為連引力都是表象，本質是時間和空間的彎曲。太陽的巨大質量導緻周圍的時空彎曲的異常明顯，而地球又在太陽周圍的彎曲時空中運動，就不得不沿着彎曲的時空前行。地球就相當于車輛，時空就相當于道路，道路都是彎曲的，在其中行駛的車輛路徑怎麼可能不彎曲呢！所以地球就顯得繞太陽旋轉，就好像有一種力拽着地球一樣，這就體現出了所謂的引力。

時空彎曲

現在我們依舊接納牛頓力學，隻不過把它從神壇中拉了下來，在原子尺度以下和光速10%之上的領域把牛頓除名了！當然，牛頓力學依舊在低速，宏觀領域發揮着重要作用。

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