淺談萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)歷程

熊偉

摘 要：萬有引力定律是中學(xué)物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，萬有引力對(duì)于整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。萬有引力的發(fā)展并不簡(jiǎn)單的是一個(gè)“蘋果”的功勞，而是牛頓經(jīng)過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)和研究中得出的結(jié)論。本文就萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)歷程進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：萬有引力定律；發(fā)現(xiàn)歷程；牛頓

萬有引力定律是高中物理必學(xué)的一大定律，其提出者是牛頓，我們也很熟悉。萬有引力定律在物理學(xué)中占據(jù)著很重要的地位，其一方面為物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，另一方面也在很大程度上促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。提到萬有引力定律，大部分人都認(rèn)為是牛頓的功勞，但有一點(diǎn)需要明確的就是，牛頓之所以能提出萬有引力定律，不是因?yàn)樗麘{空的猜想，是牛頓在學(xué)習(xí)和借鑒了許多前人的研究和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上而提出來的。因此，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的過程。下面筆者就簡(jiǎn)單探討一下萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。

一、前人的研究成果對(duì)牛頓的啟示

（一）亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的啟發(fā)

亞里士多德是古希臘歷史上著名的哲學(xué)家，其學(xué)說對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。亞里士多德的某些觀點(diǎn)與牛頓的第一定律是有些相似之處的，但也有很大的不同。亞里士多德認(rèn)為物體的下落運(yùn)動(dòng)與其他運(yùn)動(dòng)是不能相提并論的，下落運(yùn)動(dòng)屬于自然運(yùn)動(dòng)，而其他的運(yùn)動(dòng)則屬于受迫運(yùn)動(dòng)，因此要分開來研究。雖然其觀點(diǎn)在現(xiàn)在看來有點(diǎn)不恰當(dāng)，但畢竟是第一次發(fā)現(xiàn)了物體下落運(yùn)動(dòng)的特殊性。亞里士多的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)是被廣泛認(rèn)可的，所以牛頓肯定也對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)進(jìn)行了研究和學(xué)習(xí)，為其萬有引力定律的提出奠定了一定的基礎(chǔ)。

（二）哥白尼學(xué)說對(duì)牛頓的啟示

哥白尼的學(xué)說也在一定程度上啟發(fā)了牛頓。其日心說對(duì)亞里士多德的“自然位置說”提出了質(zhì)疑，認(rèn)為宇宙的中心不是地球，而是太陽。除此之外，哥白尼還在學(xué)習(xí)了達(dá)芬奇的觀點(diǎn)之后提出重力屬于自然傾向的說法。哥白尼認(rèn)為重力可以使地球、月亮和太陽來維持其本身的形狀和運(yùn)行，并由此提出了哥白尼自己的萬有引力定律。與亞里士多德的觀點(diǎn)相比，哥白尼的學(xué)說雖然也存在一定的形而上學(xué)思想，但有了很大的進(jìn)步。哥白尼的觀點(diǎn)在牛頓理解萬有引力的真正含義方面起到了促進(jìn)和借鑒作用。

（三）威廉·吉爾伯特對(duì)牛頓的啟示

威廉·吉爾伯特是英國(guó)的物理學(xué)家，其主要學(xué)說是電磁學(xué)說。威廉·吉爾伯特認(rèn)為地球?qū)ξ矬w的吸引就猶如磁鐵對(duì)鐵制品的吸引，認(rèn)為地球具有與磁鐵相似的性質(zhì)。威廉·吉爾伯特的學(xué)說得到了開普勒的認(rèn)同，也為牛頓的萬有引力定律提供了主要的研究方向。

（四）其他學(xué)者對(duì)牛頓的啟發(fā)

世界上所有的學(xué)科都是相互聯(lián)系的，因此，牛頓在提出萬有引力定律的過程中，除了受到了物理學(xué)家的啟發(fā)，在其他學(xué)科，例如數(shù)學(xué)、力學(xué)和天文學(xué)等也進(jìn)行了一定的研究和借鑒。因此，其他學(xué)科里的一些科學(xué)家也在一定程度上啟發(fā)了牛頓。

二、蘋果的故事

說起萬有引力的發(fā)現(xiàn)歷程，人們總會(huì)想起牛頓在樹下沉思時(shí)被蘋果砸中的故事。但是，萬有引力的發(fā)現(xiàn)并不是一蹴而就的，而是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，僅僅靠一個(gè)蘋果并不足以完全激發(fā)牛頓對(duì)萬有引力的思考和想法。從目前牛頓留存下來的手稿、著作。論文來看，并沒有任何證據(jù)證實(shí)這個(gè)故事的真實(shí)性，唯一確定的是，牛頓在鄉(xiāng)下居住的時(shí)期里進(jìn)行了萬有引力的一些研究。

三、牛頓研究和發(fā)現(xiàn)萬有引力的過程

（一）早期牛頓對(duì)萬有引力定律的研究

牛頓對(duì)于萬有引力定律的早期研究應(yīng)該從其大學(xué)時(shí)開始。牛頓在大學(xué)期間一直致力于研究和學(xué)習(xí)物理學(xué)和力學(xué)。剛開始的時(shí)候，牛頓首先學(xué)習(xí)了亞里士多德的局部運(yùn)動(dòng)理論，隨后又學(xué)習(xí)了笛卡爾和伽利略的書籍文獻(xiàn)，并在其影響下開始研究動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容。牛頓在鄉(xiāng)下居住的期間不僅定義了大部分物理學(xué)中基礎(chǔ)的概念，如速度，還尤其對(duì)力的概念進(jìn)行了更加深入和詳細(xì)的說明，并由此推導(dǎo)出了離心力的公式。

（二）牛頓對(duì)天體引力問題的研究

自1666年之后的數(shù)年時(shí)間，牛頓停止了對(duì)力學(xué)的研究而開始研究數(shù)學(xué)并創(chuàng)立了微積分學(xué)說。微積分的出現(xiàn)完美地幫助牛頓解決了一些物理學(xué)上的難題。1679年到1680年的兩年時(shí)間內(nèi)，牛頓通過與胡可探討地球上的物體降落的路徑，得出了軌道為橢圓的物體在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到一個(gè)指向焦點(diǎn)方向的力，力的大小與到焦點(diǎn)的距離成反比。

（三）《原理》誕生

在《原理》出版之前，牛頓利用將近九個(gè)月的時(shí)間完成了《輪物體的運(yùn)動(dòng)》的編寫。牛頓首次在此著作中對(duì)萬有引力的主要思想進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并且還繪出了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理圖，解釋了行星運(yùn)動(dòng)與拋體運(yùn)動(dòng)的異同點(diǎn)。最終于1687年，牛頓出版了《原理》一書，書中詳細(xì)說明了萬有引力定律的內(nèi)容和推導(dǎo)過程。

四、結(jié)語

總而言之，經(jīng)過上述對(duì)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程的研究，可明確的就是，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)并不是僅僅靠一個(gè)蘋果，而是需要很長(zhǎng)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和鉆研，以及前人的寶貴經(jīng)驗(yàn)和研究成果。這也提示我們?cè)诟憧蒲械倪^程中，要認(rèn)真仔細(xì)、堅(jiān)持不懈，還要善于借鑒其他人的觀點(diǎn)，爭(zhēng)取將科研做到最好。

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