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三大運(yùn)動定律——人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)之三

2007.01.21

三大運(yùn)動定律——人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)之三

作者：塔米姆·… 文章來源：科技園

世界著名的網(wǎng)絡(luò)科普作家塔米姆·安薩利（Tamim Ansary）在其新著（10 Great Scientific Discoveries）中總結(jié)了對人類社會發(fā)展有重大影響的、最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這之中，我們有的了如指掌，有的似熟悉的陌生人，但不管怎樣，這些跨越了漫長歷史時空的科學(xué)人物、科學(xué)故事，實實在在地能給予我們深刻的感動與啟示。

本站將陸續(xù)推出這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事，它們分別是勾股定理、微生物的存在、三大運(yùn)動定律、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、血液循環(huán)、電流、物種進(jìn)化、基因、熱力學(xué)四大定律、光的波粒二相性，敬請關(guān)注。

三大運(yùn)動定律——人類最偉大的十個科學(xué)發(fā)現(xiàn)之三

塔米姆·安薩利

在牛頓以前，天文學(xué)是最顯赫的學(xué)科。

但是為什么行星一定按照一定規(guī)律圍繞太陽運(yùn)行？天文學(xué)家無法圓滿解釋這個問題。

牛頓（Isaac Newton，1643～1727）（如右圖）是物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，經(jīng)典力學(xué)理論的集大成者。他系統(tǒng)地總結(jié)了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作，提出了著名的萬有引力定律和牛頓運(yùn)動三定律。萬有引力的發(fā)現(xiàn)說明，天上星體運(yùn)動和地面上物體運(yùn)動都受到同樣的規(guī)律——力學(xué)規(guī)律的支配。

在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律以前，已經(jīng)有許多科學(xué)家嚴(yán)肅認(rèn)真的考慮過這個問題。比如德國近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家約翰·開普勒（Johanns Kepler,1571-1630）（如左圖）認(rèn)識到，要維持行星沿橢圓軌道運(yùn)動必定有一種力在起作用，他認(rèn)為這種力類似磁力，就像磁石吸鐵一樣。

1659年，荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens 1629-1695）（如下左圖）從研究擺的運(yùn)動中發(fā)現(xiàn)，保持物體沿圓周軌道運(yùn)動需要一種向心力。英國實驗物理學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke，1635～1703）（如下右圖）等人認(rèn)為是引力，并且試圖推到引力和距離的關(guān)系。

1664年，胡克發(fā)現(xiàn)彗星靠近太陽時軌道彎曲是因為太陽引力作用的結(jié)果；1673年，惠更斯推導(dǎo)出向心力定律；1679年，胡克和英國天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家哈雷（Edmond Halley，1656－1742）（如右圖）從向心力定律和開普勒第三定律，推導(dǎo)出維持行星運(yùn)動的萬有引力和距離的平方成反比。

1666年前后，牛頓在老家居住時考慮過萬有引力的問題。最有名的一個說法是：在假期里，牛頓常常在花園里小坐片刻。有一次，像以往屢次發(fā)生的那樣，一個蘋果從樹上掉了下來，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物體都受到差不多總是朝向地心的吸引呢？牛頓思索著。終于，他發(fā)現(xiàn)了對人類具有劃時代意義的萬有引力（如左圖）。

1674年，胡克發(fā)表了《試證地球的運(yùn)動》(Attempt to Prove the Motion of the Earth)。胡克在這篇著作中，闡述了自己的行星運(yùn)動理論:一切天體都具有傾向其中心的吸引力或重力；天體在未受其他使其傾斜的作用力前保持直線運(yùn)動不變；離吸引中心越近，吸引力越大；行星的運(yùn)動是慣性、外在引力和自身引力共同作用的結(jié)果。

胡克研究重力學(xué)的歷史長達(dá)20年，但因他不擅長數(shù)學(xué)，計算不出行星的運(yùn)行軌道。1679年，胡克曾經(jīng)寫信問牛頓，能不能根據(jù)向心力定律和引力同距離的平方成反比的定律，來證明行星沿橢圓軌道運(yùn)動。牛頓沒有回答這個問題。

1685年，哈雷登門拜訪牛頓時，牛頓已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律：兩個物體之間有引力，引力和距離的平方成反比，和兩個物體質(zhì)量的乘積成正比，他解決了胡克等人沒有能夠解決的數(shù)學(xué)論證問題。

當(dāng)時已經(jīng)有了地球半徑、日地距離等精確的數(shù)據(jù)可以供計算使用。牛頓向哈雷證明地球的引力是使月亮圍繞地球運(yùn)動的向心力，也證明了在太陽引力作用下，行星運(yùn)動符合開普勒運(yùn)動三定律。

1684年1月，哈雷、胡克、克里斯托弗·雷恩 (Christopher Wren)（如右圖）等人在一起作了一次有意義的討論。他們當(dāng)時已認(rèn)識到起吸引作用的向心力是和距離的平方成反比的，但還缺乏數(shù)學(xué)的論證。特別是無法證明服從此定律的天體的運(yùn)動軌跡應(yīng)為橢圓 (更普遍地說，應(yīng)為圓錐曲線)。哈雷由于這個問題得不到解決，于8月到劍橋大學(xué)去請教牛頓。他一開始就向牛頓提出問題：假定重力隨距離的平方而減少，那么行星遵循的軌道應(yīng)是什么樣的曲線？牛頓立即回答說應(yīng)是一個橢圓。使哈雷更驚奇的是，牛頓說他對這個問題已經(jīng)作過計算，當(dāng)時就開始找計算草稿，但沒有找到，最后他答應(yīng)把稿子找出來后再寄給哈雷。牛頓后來還是沒有找到計算草稿，于是他重新作了計算，并進(jìn)一步認(rèn)真推敲了這個問題。

1684年11月，牛頓給哈雷寄去了一篇《論運(yùn)動》(De motu) 的論文手稿，并在1684-1685年間在劍橋作了一系列名為《論天體運(yùn)動》的演講。哈雷把牛頓寄給他的重要論文呈報皇家學(xué)會登記備案。在哈雷的敦促下，牛頓著手寫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(Principia) 這一巨著（如左圖），并于1686年4月把原稿交給皇家學(xué)會。由于經(jīng)費問題以及牛頓和胡克間為萬有引力定律發(fā)明權(quán)的爭執(zhí)，皇家學(xué)會未能安排該書的付印。最后，哈雷決定由自己出錢替牛頓出版此書。這樣，牛頓的這一巨著才于1687年問世。

牛頓在這部書中，從力學(xué)的基本概念(質(zhì)量、動量、慣性、力)和基本定律(運(yùn)動三定律)出發(fā)，運(yùn)用他所發(fā)明的微積分這一銳利的數(shù)學(xué)工具，不但從數(shù)學(xué)上論證了萬有引力定律，而且把經(jīng)典力學(xué)確立為完整而嚴(yán)密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體力學(xué)統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大的綜合。

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