万有引力定律真是牛顿发现的吗?

网络上流传的各种各样的名人灵机一动有了大发现的小故事,多半都是虚构的或者夸大其词。其中最著名的恐怕莫过于牛顿通过苹果下落发现万有引力了。

实际上,这个故事如同瓦特观察烧开水后灵机一动发明了蒸汽机一样,假得不能再假。

就算你不知道万有引力的计算公式,至少也应该思考一下:难道在牛顿之前的几千年时间里就没有一个人会去思考苹果为什么会从树上落地而不是直接飞上天吗?

你可能会说,这不是常识嘛,苹果不可能直接飞上天。那实际上所有的科学原理都是存在的,都是“常识”,但只有人进行思考总结实验归纳之后,“常识”才能够被发现并被总结为一个简洁明了的公式。

实际上很早的时候人们就普遍意识到地球上存在一种力量使得物体普遍会下坠而不是飞升。古希腊哲学家亚里士多德他通过自己的总结和猜测,认为地球是宇宙的中心,将宇宙中所有质量都吸引向它。他还认为物体下落的速度随着其质量的增加而增加(当然这种观点是错误的)。古希腊的很多其他科学家,如普鲁塔克,甚至能猜测到这种引力不是地球独有的。

数学家阿基米德发现了三角形的重心,但他不把引力解释成一种力。到了公元6世纪,东罗马的亚历山大学者约翰·菲罗波努斯(John Philoponus)提出了动力理论,修改了亚里士多德的理论。

公元7世纪,印度数学家和天文学家婆罗摩笈多提出引力是一种将物体吸引到地球的吸引力的观点 。约两世纪后,波斯的比鲁尼(Al-Biruni)认为引力并不是地球独有的,其它天体也应该有引力 。

不过直到这时,对于引力的思考还是只停留在对现象的推测上。直到文艺复兴时期,这种推测才转变为计算和实验。

西班牙多米尼加牧师多明戈·德·索托(Domingo de Soto)在1551年写道,自由落体的物体均匀加速。意大利物理学家詹巴蒂斯塔·贝内德蒂(Giambattista Benedetti)在论文中称:由于比重,由相同材料制成但质量不同的物体会以相同的速度下落 。在1586年的代尔夫特塔实验中,佛兰德物理学家西蒙·史蒂文(Simon Stevin)观察到,当炮弹从塔上下落时,两枚大小和重量不同的炮弹以相同的速度下落 。在16世纪后期,伽利略·伽利莱(Galileo Galilei)对从斜坡上滚动的球的仔细测量中发现:所有物体的引力加速度是相同的。(是的,孩子们,其实伽利略扔铁球的故事也是假的)

1604年,伽利略正确地假设了下落物体的距离与所经过的时间的平方成正比。1640年至1650年间,意大利科学家弗朗切斯科·马丽亚·格里马尔迪(Francesco Maria Grimaldi)和乔瓦尼·巴蒂斯塔·里乔利(Giovanni Battista Riccioli)证实。他们通过测量钟摆的震荡计算了地球引力的大小。

1657 年,牛顿的死对头罗伯特·胡克出版了《显微图谱》,他在书中假设月球一定有自己的引力 。1666 年,他又补充了两条原理:所有物体都沿直线运动,除非受到某种力的作用而发生偏转;物体之间靠的越近,吸引力也就越大。在1666 年,胡克在写给皇家学会的一封信中写道:

我将解释一个与迄今所接受的世界体系截然不同的世界体系。它建立在以下立场之上。1. 所有天体不仅有引力将各部分引向它们自己的中心,而且它们还在各自的作用范围内相互吸引。2. 所有做简单运动的物体都会继续沿直线运动,除非受到某种外力不断偏离直线,导致它们画出圆、椭圆或其他曲线。3. 物体之间的距离越近,这种吸引力就越大。至于这些力随着距离的增加而减小的比例,我承认我还没有发现……

胡克在 1674 年的格雷欣演讲《证明地球周年运动的尝试》中解释说,引力适用于“所有天体”。

所以说,在牛顿的时代,人们不仅早就知晓了地球上存在引力,已经在计算引力的大小,甚至已经猜测到引力可能是“万有引力”,不是只在地球上存在,而是一种放之四海而皆准的原理。

牛顿他作为一个当时从剑桥大学毕业的青年才俊,常年潜心研究数学物理问题,他不可能不了解人类在几千年以来已有的对万有引力探索的积累,所以他实际上最后做了一个临门一脚的收尾工作。

在1684 年,牛顿将一份题为《论物体在轨道上的运动》的手稿寄给了埃德蒙·哈雷,这份手稿为开普勒的行星运动定律提供了物理依据。几年后,牛顿出版了《自然哲学的数学原理》。在这本书中,牛顿将引力描述为一种宇宙力,并声称“使行星保持在轨道上的力必定与它们到其绕转中心的距离的平方成反比”。(在1798年英国物理学家亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)测定了引力常数的准确数值)

万有引力定律从亚里士多德的猜想开始,再到牛顿最后以一个简洁的公式结尾,这其中哪有那么多“灵机一动”?哪有那么多“弯道超车”?哪有那么多“捡漏”?有的不过是一代代人一步一个脚印最后结出的硕果罢了。

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