《物理的故事——在悖论中前行》
第14节

作者: 江湖小片
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  牛顿从实验证明了,重力其实和其他力一样(因为导致物体运动的结果一样),完全符合三大定律,只是还有个问题,如果天体的运行果然是“引力”,那么天上的引力和地上的重力以及普通力有什么区别呢?
  请看下回分解!
  日期:2017-08-13 16:01:27
  第十二回:苹果的故事
  在人类的发展史上,苹果宛如一位天外来客。每当故事变得枯燥时,她冷不丁光顾一次,让整个情节又更加生动有趣了。在《圣经》里,她是亚当夏娃偷吃的禁果(书中没有名言,多数人认为是苹果,也有人认为是葡萄等等);在童话里,她把白雪公主药得沉睡不醒;在现代,她又是变身手机,成为家喻户晓的iPhone。在牛顿那个年代,苹果不经意地光顾了牛顿的脑袋,从而创造新的宇宙定律。

  长久以来,人类都在思考一个问题:地球上的力和天上的力是否一样。牛顿完成了力学三定律之后,这个问题也被提上了牛顿的思考日程。话说有天他在苹果树下思考,突然间,一个苹果掉了下来,不偏不倚的砸在牛顿的脑袋上。就是这个苹果引发了物理学史上最有名的故事,没有之一。但这个故事却有很多版本。

  版本一:这是我的启蒙老师讲述的。牛顿被苹果砸中了脑袋之后,知道这是重力之故,他就类推假如苹果树长到了月球上,会不会还砸中了自己的脑袋呢?显然只会落到月球上,于是,他发现了万有引力。小时候自然不会对故事的逻辑性产生质疑,只是隐隐的担心,苹果树长到月球上,吴刚忍得住不砍么?
  版本二:牛顿确实在姐姐家的苹果树下思考,不过苹果并没有砸到牛顿的脑袋上,而是落在地上。牛顿知道这是因为重力缘故。他想绕地球的运动会不会也是同样的力?第二天早晨,他看到他的外甥女拿个绳子拴住小球,当绳子转动时,小球开始绕着手转动起来。这和月亮绕地球极为相似,这样看来,地球对月亮的作用力和苹果落下是一种力,所以当时他称引力为“重力”。
  版本三:这也是故事最初的来源,出自牛顿的一位朋友只扣。据说是牛顿的外甥女亲口告诉他的(或者牛顿亲自告诉他的),苹果落地确实给了牛顿灵感,不过没有砸在头上,也没有看到外甥玩什么小球玩具。
  其他版本:根本就没有什么苹果,也没有砸中脑袋,这只不过是善意的人们想让“万有引力”更生动,或者不怀善意的教会把这个苹果安排成上帝的旨意,在人类将要解开谜团的时候,让上帝他老人家依然保持一种神秘的调调。
  人们都按照自己的目的编织精彩的故事。不管怎样,如果这个故事是真的,我宁愿相信第三个版本,因为第一个版本里,把苹果树挪到上月亮没有意义,原本就要弄清天上力与地上力的区别,现在又把地上力想象成天上力,纯属折腾了;第二个版本有个硬伤,牛顿怎么会不知道向心力呢?像开普勒、笛卡尔等曾那些玩转正圆椭圆的人怎么会对向心力置之罔闻?而且牛顿利用他发明的微积分,得出向心力F=mv^2/r (m:质量,v:线速度,r:圆周半径)。

  假设第三个版本是真实的,还原一下现场,看看牛顿是怎么想的。
  日期:2017-08-13 16:01:57
  1.苹果落地是受到地球的“重力”。此时人类早已经知道,离地球越近,重力越大,重力加速度也越大。1645 年,法国天文学家布里阿德(Bulliadus,1605—1694)提出一个假说:太阳的引力应该和到太阳的距离成反比,自此“平方反比”的模型进入了物理学。无疑牛顿采用这种思想。
  2.早在古希腊时代,人类就已经测量过地球半径,也测量过月地距离。月地距离大约是地球半径的60倍。如果地球的重力对月球也有效果的话,那么应该符合向心力公式。牛顿通过计算,果不其然,地球对月球的重力加速度是地面上的1/3600左右。
  所以有理由相信地球的“重力”对月亮都有效,同样道理,太阳的“重力”,对地球也有效。延续几千年的问题在这一刻有了答案,牛顿用他的大脑告诉人类:天上力和地上力的区别是——没有区别。就这样,牛顿统一了“天上人间”,再次证明了,如果真是上帝创造万物,那么他老人家肯定不会厚此薄彼。个人觉得牛顿之所以被认为最伟大的物理学家,是因为他迈向了寻找“万有理论”的第一步。

  然而牛顿还有很多步要走,他还没有弄清楚引力、质量、距离三者之间符合怎样的数学关系。只能大致得出引力与距离的平方成反比,而且这种比例关系只符合圆形轨道,要知道开普勒已经计算出地球绕太阳转动的轨道是椭圆。
  终于,祸乱岁凶的日子结束了,1667年牛顿回到了母校,并在第二年获得了硕士学位。他的才华很快得到赏识,连他的老师巴罗为了提携这位后生,决定提前辞去卢卡斯数学教授的职位,以便牛顿能尽快上岗。最终牛顿获得该荣誉职位,而后人都为获得此职位感到无比自豪,比如《时间简史》的作者霍金。
  1671年,牛顿发明因反射式望眼镜,引起了英国皇家学会的注意。牛顿也在此时向皇家学会递交了第一份论文《光和颜色的论文》,其理论就是在乡下避乱时关于光的色散问题。且不说他主张的什么“微粒论”(认为光是微粒性质),单说白色光由其他光组成就足以让世人受不了了,因为当时的人们单纯的认为只有白光才是最纯洁的。就好比一个弱柳扶风的清纯女孩,你突然告诉我她是一个心机婊,我也受不了。同样,不能接受白姑娘是心机婊的还有时任英国皇家学会会长的罗伯特胡克。

  罗伯特胡克(Robert Hooke,1635-1703),英国非常伟大的科学家,要不然他就干不了皇家学会的会长。我们了解胡克基本上都是因为弹簧的弹性定律(即胡克定律),实际上,他也是一位发明创造家,曾发明改进显微镜,同时他对光也有很深的研究,坚持光的“波动说”(认为光是一种波),但是据说胡克心胸也不是很大,为了某项发明权和惠更斯争论了很久。

  所以于公于私,胡克都不会赞成牛顿的关于光的观点。当胡克接到牛顿的论文时,他是这样回答的:“牛顿先生有关折射与颜色的文章我已经读过了,他研究中优点与体现的好奇心深深的打动了我,从他处理颜色现象问题的假设看,我还没有看到任何一条不可推翻的论证能向我证明这个理论是闹不可破的”,然后用“毫无意义”给这个论文打了分。这是官方语言,换成不客气的语言就是:“年轻人,有想法是好的,但是千万不可为了标新而轻易立异。拿镀金的夜壶泡的茶,谁敢喝呢?”

  面对领导的批评,牛顿怒不可遏地回答道:“难道我生下来就是为了讨好你的么?你认为我反对你还不够资格?那么等你能说出‘我的水平已经不能评价你的文章’的时候再说吧。”再换成不客气的话就是:“别卖老摆谱,秦始皇的夜壶也是盛尿的。你把你当颗葱,谁拿你蘸酱?”
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