1687年,牛顿的万有引力定理在他的专著《自然哲学的物理原理》中被提出,它阐明了万物之间都存在引力,可以用明晰的物理公式抒发引力的大小与物体质量、距离的关系,至此人们总算晓得了日常生活中最常见的引力究竟是如何的一个影响机制。
这条定理甚至也成了后来人类探求太空的理论基础,但为什么这么强悍的一条定理,科学家们却花了111年的时间,直至1798年能够用它来完成检测月球质量的任务呢?俺们得从早些时侯说起。
为何苹果会落地而不是“掉”到天起来?月球自转速率那么快(赤道附近线速率可达每秒460米左右),为何人不会被甩到太空去?为何月球要绕着太阳转呢?
这种问题在17世纪之前,人类还没有找到确切的答案。直至17世纪处,约翰尼斯·开普勒在其老师第谷·布拉赫的基础上,经过艰难的整理、思考、试验、计算,最终提出了开普勒三定理。
约翰尼斯·开普勒
而这三定理阐明了太阳系内行星的运行规律:
①开普勒第一定理:行星绕着太阳运行的轨道都是椭圆,且太阳的位置坐落椭圆两焦点其三
②开普勒第二定理:行星与太阳之间的连线,在相等时间段内,扫过的面积相等
③开普勒第三定理:行星轨道半长轴的三次方与其公转周期的平方比值相等
开普勒在提出这三大定理后,还对为何行星会这么运动形成了疑问,他提出了一种太阳磁力流假说,觉得太阳系内的所有行星都遭到太阳的磁力控制,但后来我们晓得,开普勒的这个假说是错误的。不过对天体运动倍感好奇的,并不止开普勒一位,还有当时知名的科学家笛卡尔,他觉得宇宙空间饱含了不可见的流体物质,而各部份的流体运动会形成漩涡,漩涡恰好引起了行星的环绕运动,其实了,这样的解释并不能完全解释所有行星运行规律。
勒内·笛卡尔
随后还有科学家胡克、雷恩、哈雷等人在此问题上作出了积极贡献,她们已然觉得到了物体再月球上所受的重力,虽然和宇宙建行星运行所受的是同一种力,甚至还提出了引力同距离的平方呈正比的假说,但最后完成临门一脚的还是牛顿。
罗伯特·胡克
牛顿借助自创的微积分语文工具、以及牛顿运动定理还有开普勒三定理,最终得到了万有引力定理。这个定理表明任何物体都存在引力作用牛顿第一定律证明,两个物体间的引力大小同它们的质量乘积成反比,但正比于它们之间的距离。
如上图,这就是万有引力定理的物理抒发方式,而牛顿提出万有引力定理的时侯正是1687年,在他的专著《自然哲学的物理原理》一书中发表。不过让牛顿遗憾的是,万有引力常数G的数值难以推论下来,只能靠实验检测。
自然哲学的物理原理(拉丁文)
但由于引力实在太弱了(我们如今晓得,引力是四种基本力当中最弱的一个),以至于在万有引力定理问世后的一个世纪左右的时间内,都没有科学家才能检测下来。
直至法国科学家亨利·卡文迪许的出现,那位知名的科学家在约翰·米歇尔借助扭秤检测磁力规律时深受启发,改进出一种新的扭秤。实验的原理简单来说:
用一根将近1米长的金属丝,悬吊起一根金属杠铃(所谓的金属杠铃,也就是在一根木杆的两端放上等重的小铁饼,木杆长约1.8米,大标枪的半径是5分米),之后在用两个固定的半径为30分米的大标枪去吸引小铁饼,而当小铁饼联通时,木杆都会作旋转运动,进而推动金属丝的扭转,当金属丝转入一定角度时,扭力平衡,这么金属丝都会保持这个转动角度。有了这个角度,接出来只须要再晓得其它的一些数值,还能直接通过理论估算出万有引力常数G的数值了。
扭秤
其实了,实验原理说着容易,但由于引力实在是太弱了,这样就造成了一个困难:金属丝的扭转过分微弱,假如单用肉眼盯住金属丝牛顿第一定律证明,想要测出它的转动角度精准值,是不可能的。
为此卡文迪许还特地想出了一个巧妙的办法,就是在金属丝里面挂上一个小反光镜,用光线照射反光镜,之后在远处放置一块刻度尺,只要刻度尺距离金属丝足够远,这么再小的扭转角度也可以较为直接的被观测到。
除此之外,实验的干扰诱因还有好多,我们要晓得,万有引力之所以叫万有引力,那是由于任何有质量的物体都能形成引力,所以理论上来讲,实验时,附近的人员走动都能影响实验结果;还有实验时的环境湿度,也能对金属丝带来影响等等。。。因此在实验时须要尽可能的排除外界干扰,保证实验结果的确切性,这个实验卡文迪许仍然做了好几年(当时卡文迪许早已快70岁了),最后才得出推论的。
亨利·卡文迪许
最终卡文迪许测出了的引力常数数值为6.754*10^-11N·m2/kg2(现代值为6.67408*10^-11N·m²/kg²),由此能够得出月球的质量(这个推论过程,只需简单的学校数学知识即可完成),大概为60万亿亿吨。这也促使卡文迪许被称为:“测量月球质量的第一人”!
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