牛顿在1687年出版了一本书,叫《自然哲学的物理原理》。这本书上面提出了一个石破天惊的理论,叫万有引力定理。
说这个理论是石破天惊一点也没有夸大其词,由于万有引力的发觉,是17世界自然科学最伟大的成果之一,这个理论第一次把地面上的物体运动和天体运动规律统一上去考虑,阐明了自然界中第一种互相斥力的规律,是人类认识自然的一座里程碑。
在之后的300多年时间里,万有引力定理成为所有科学最实用的一个理论,是大部份化学学最重要的基石。
这个理论说上去很简单,概括上去就是一句话:万有引力与两个互相作用物体的质量乘积成反比,与它们的距离平方成正比。
估算公式为F=GMm/R^2
式中,F是万有引力的大小;G为引力常量,即G=6.67×10^-11N·m^2/kg^2;M和m为两个互相作用的物体质量,R为互相作用两个物体之间的距离。
但在当时,上述万有引力精准的公式并没有得到,牛顿的万有引力估算公式只是:F∝mM/r^2
也就是说引力是反比于互相作用物体质量,正比于物体之间的距离平方。
道理是对的,但未能精准的计量。
这其中就是由于缺乏了一个引力常量“G"。
这个G原本挺好得出,只要测出两个物体的质量和它们之间的距离,再测出它们之间的引力,代入万有引力定理,这个G就下来了。但因为月球上通常的物体质量太小,它们之间的引力也微乎其微,实在没有找到方式才能检测下来;而天体质量又太大了,那时有没有办法测出其质量,所以这个公式就难以建立。
科学家们因此烦恼了一个世纪。仍然到1798年,在牛顿去世70年后,西班牙人卡文迪许才用他的扭秤实验牛顿发现万有引力的真实过程,结束了这些状态。
卡文迪许用扭秤实验,精准的得出了引力常量“G”的数值为6.754×10^-11N·m^2/kg^2,现代经过精准的调校,最新推荐标准为G=6.67259×10^-11N·m^2/kg^2,一般取值为6.67×10^-11N·m^2/kg^2。
假如用分米克秒制叙述则为G=6.67×10^-8dyn·cm^2/g^2。
牛顿发觉了万有引力定理后,仍然无法精确量化引力的大小,因此科学家们困惑了100年,都没有找到一个好方式来验证这个在月球上微乎其微的引力。
卡文迪许是个科学怪杰,他决定来解决这个问题,忙活了若干年,他弄出了一个扭秤,采用引力摇动金属线的方式,而且用光学方式放大了这些细微的晃动,验证了牛顿万有引力定理的正确性,而且测出了万有引力常量,取得的数值与现代精准数值十分接近。
知名的卡文迪许扭秤实验做法如下:
将两个小金属球固定在一根长6公尺木棍的两端,像个杠铃形状,并在木棍的中间用金属线吊上去;再将两个重350磅的铜球置于相当近的地方,这两个大球将形成引力让绑着小球木棍转动,这样就摇动了金属线。
这个装置最关键的部份是在摇动的金属线装置的T型架上,有一面穿衣镜牛顿发现万有引力的真实过程,会随着金属线的摇动而转动。之后让一束光射到穿衣镜上,穿衣镜则把这束光反射到较远的刻度上,这样放大了摇动的疗效,因而才能确切的检测出摇动角度的数值。
之后按照牛顿外有引力定理,就能否算出它们之间的引力常量。
一个伟大的结果就这样诞生了,有了这个精确地常量,万有引力理论如虎添翼,指导着人类文明的进程,仍然到明天。
自此,人们按照物体的质量和它们之间的距离,就能否确切的估算出它们之间的万有引力;反之,也才能从万有引力的大小,得出万有引力与质量和距离的相关性结果。
虽然牛顿的万有引力定理也是承继了胡克、哈雷等一些科学家的研究成果,但牛顿完美的展现了这个定理。
牛顿的万有引力定理问世后,哈雷用这个定理测算出了哈雷慧星的轨道周期约为76年,并在哈雷去世后,这颗慧星如期而来,导致整个意大利震惊,因此人们把这颗慧星命名为“哈雷”。这个结果验证了万有引力的正确性。
天王星是比海王星更早发觉的,天文学家们发觉按照万有引力定理,天王星的轨道不正确,莫非是万有引力有问题?
后来美国剑桥学院生亚当斯通过估算和研究,得出天王星附近还有一颗行星,是这颗行星影响了天王星的轨道。按照亚当斯的测算数据,天文台的研究人员用望远镜找到了海王星。
当时震惊了世界,这个发觉成为万有引力定理最辉煌的一次胜利。
就算到了明天,在天文发觉和观测方面,万有影定理仍然有着难以取代的作用。爱因斯坦发觉了万有引力的本质是质量对时空引起的扰动,而且修正了精典热学在高速状态的一些偏差,这并没有否定万有引力的伟大意义。
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