牛顿万有引力定律的发现及其在天文学上的应用

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1、牛顿万有引力定律的发现及其在天文学上的应用摘要：当一•个苹果落在你的头上时，你可曾知晓，这是大自然赐予人类开启宇宙奥妙的钥匙？无心的人也许会对此报以淡然一笑，可有志者却花上毕生的精力。小小的苹果为什么会掉下來，而偌大的月球和其它比地球大几十倍甚至几百倍的天体却悠然地悬挂在夜空？小小的苹果和这无边的宇宙，本来它们之间怎能有如此紧密的联系？是人类独有的想象力和创造力在世界万物中构建着必然的关系，就像太阳系里的恒星和行星一样，在万有引力的作用下，组合成一个完美的整体，一幅完美的图画。万有引力定律是牛顿最著名的科学发现之一，止是这个发现奠定了天体力学的基础，并导致牛顿建立他的“宇宙系统”。他将地球上的

2、和天上物质的运动规律和相互作用统一起来，主要是探索和发现万有引力定律来实现的。万有引力定律的发现经历了20年的曲折道路。本文就万有引力定律的发现及其在天文学上领域的应用做一个系统的介绍、论证和评述。关键词：万有引力万有引力定律离心力向心力引力平方反比定律引言：万有引力定律的发现有着深远的意义，可谓是前无古人，后无来者。万有引力定律的发现经历了二十年的漫长时间。它的发现为人类做岀了历史性贡献，特别是在天文学领域，它使漫漫宇宙变成了一幅完美的图画。但是万有引力定律的发现必须从离心力概念和向心力概念到引力平方反比思想到离心力定律和向心力定律到引力平方反比定律再到万有引力与质量乘积成正比，最后再到万有

3、引力定律这样一个发展顺序。这个顺序必须紧紧相连，否则这个定律是无法发现的。而且历史上只有牛顿在漫长的时间屮是沿着这一顺序才最终发现的O一•引力思想的起源长期以来流传的一种关于万冇引力定律发现的说法是牛顿在1665-1666年间因剑桥流行瘟疫而返回故乡林肖郡的家屮，一天在后花园的苹果树下乘凉时，见到苹果落在地上。于是，他就想苹果为什么落在地上而不到天上去呢？循此推想下去，使他在这期间发现了万有引力定律。这种说法流传了200多年，影响很广，因此要探讨这个定律的发现，还得先说说牛顿引力思想的起源。古希腊时代，斯多葛学派认为一切东西都向宇宙的中心落下，正是这种白然的运动倾向体现出“重力”，而伊壁鸠鲁认

4、为宇宙的中心是不存在的。但是，亚里士多德从他的“地心说”出发，认为地球是宇宙的中心。这表明，亚里士多德主张重力指向地心。后来直到哥口尼在1543年发表的〈〈天体运动论〉〉中，捉出“日心地动说”之后，伽利略在1632年发表的关于〈〈托勒密和哥白尼两大宇宙系统的对话〉〉一书中,提出了离心力和向心力及其相等和方向相反的概念。这表明可能在牛顿之前，最早提出离心力和向心力概念的，而月•牛顿在1665年Z前看过伽利略的文章。此外，从牛顿在1665—1666年间首先发现离心力定律的过程和悄况来看，伽利略的离心力和向心力思想对牛顿后来的发现起了启迪和先导作用。也就是说牛顿在1665年之前已经具有了离心力和向心

5、力概念的思想。那么，对于另一个概念一引力平方反比思想是如何产生的呢？谈到这里，应当特别指出的是另一个天文学家一法国的布里阿德(1605—1694),他在1645年发表的一本名为“Asznomiaphilolacia”小册子中，认为太阳的动力或引力在性质上应“与粒子的力相似，像光的亮度与距离的关系那样，应当以与距离的平方成反比的关系取而代之”。这衣明他在1645年就预言过引力平方反比关系，而且后來胡克在给牛顿的信小也说引力平方反比关系来源于布里阿徳。所以这都说明牛顿的这种想法(1665—1679)很可能起源于布里阿德。本文后而将谈到牛顿在1665-1666年间己经知道引力平方反比关系。长期以来很

6、多著作中都认为这是牛顿从他发现的离心力定律和开普勒第三定律算出来的，冇迹象说明那时他很可能知道布里阿徳的引力平方反比思想，同时在其它箸作小也表明牛顿不仅在1669年之后肯定知道布里阿德的引力平方反比关系，而且也基本上得出他在1665-1666年间已经知道这个关系的初步想法。另外在本文中必须阐明的是牛顿在1665—1666年间剑桥流行瘟疫期间，因为“苹來”落地而发现的万有引力定律说法，按牛顿在〈〈流水帐〉〉和普茨茅斯家族提交的牛顿手稿集子中夹的条子來看，说的是引力平方反比定律，而不是万有引力定律。同时，胡克向牛顿争的是引力平方反比定律的发现权，而不是万有引力定律的发现权。万有引力定律的发现，必须

7、经过发现引力平方反比定律和万冇引力与质量乘积成正比这两个重耍阶段，这个道理很明显。同时对于引力平方反比定律和引力平方反比思想应该加以区别，因为这种思想在牛顿之而已经出现，而且将它转变成定律必须经过理论上的论证和实践上的验证。本文后面将说明牛顿在1665-1666年I'可和1679年左右，只具有这种思想，虽然企图论证和验证，但都失败了，只是在1684年写的〈〈运动论〉〉一文的手稿屮才基本上实现了这个