万有引力定律的形成过程及启示论文.doc

万有引力定律的形成过程及启示张瑜（重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160）摘 要：着重从史料角度介绍万有引力定律的形成过程，指出万有引力定律由平方反比定律和引力与相互作用物体质量乘积成正比两部分组成。讨论了万有引力定律形成过程的启示与思考。关键词：牛顿力学；万有引力定律；惯性质量；启示与思考中图分类号: O4 文献标识码: AFormation Process of the Law of Universal GravitationZhang Yu(School of Electronics Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160)Abstract: This paper deals with the formation of the Law of Universal Gravitation based on historical data. It points out that the force is in inverse proportion to the square of the distance between any two interacting bodies while it irect proportion to the product of the masses of two interacting bodies.Thearticlediscussestheformationprocessofthelawofuniversalgravitationenlightenmentandthinking. Keywords: Newtonian mechanics; law of universal gravitation; inertia mass; enlightenment and thinking0 前言牛顿力学是经典物理学乃至其它自然科学的基础，正因为如此，在自然哲学之数学原理(下称原理)问世并被人们接受后的二百年中，牛顿受到的是一片赞美之声。在原理一书中主要是关于运动三定律和万有引力定律的内容和证明，而对于内容的提出及形成却在一些手稿中表现出来，本文着重从史料角度谈谈万有引力定律的形成过程，以及万有引力定律形成过程给我们带来的启示与思考。1 万有引力定律产生的历史背景任何一门科学的产生都有其深刻的各方面原因。下面，首先简单地介绍一下万有引力定律产生的历史背景，包括社会背景、科学背景和牛顿的个人背景。1. 1社会背景社会发展的最革命、最活跃的因素是生产力的蓬勃发展。十六、十七世纪的欧洲，文艺复兴运动，复辟与反复辟的资产阶级革命，推动了当地生产力的极大提高。以机器大工业代替手工业，出现了一大批有人身自由但没有生产资料的工人。牛顿诞生的1642年爆发了革命，他发表原理一书的第二年，即1688年，“光荣革命”的成功，建立了君主立宪制的资产阶级王国。牛顿从诞生至他的主要科学研究生涯，都是在资产阶级革命过程中度过的,他从中吸收了科学精神和受到革命意识的熏陶，对他冲破羁绊进行一系列观念上的突破和建立他的科学体系起了重要作用【1】。1. 2科学背景牛顿是站在前人的肩上，对前人的科学成果和科学思想进行总汇和发展才看得更远。因此，其力学体系的产生有科学研究和科学思想两方面的科学背景。斯文台的力学研究，伽利略的运动理论，笛卡尔、惠更斯等人的碰撞理论等都对牛顿力学的形成起了不可忽视的作用。 另外，1543年哥白尼发表的天体运行论，后来开普勒发现的行星运动三定律，英国医生吉尔伯特关于磁力性质的研究为近代引力观念提供的模型，1645年法国天文学家布里阿德提出的太阳的引力和距离的平方成反比的思想【2】，这些科学成果和科学思想对这位巨人的力学体系的形成的推动是不言而喻的。1. 3牛顿的个人背景牛顿少年时期家境贫寒，受同学们的歧视，使他很年轻的时候便能洞识人生、早熟和自我奋斗。他通过制造各种玩具，培养了动手做仪器的技能和爱好，他的数学才能和巴罗教授的善识千里马，对他后来的科学生涯起了重要作用。牛顿在剑桥大学求学时，正是皇家学会刚刚成立，并以重实验技术和科学的应用为宗旨。有声望的会员大多数在伦敦和剑桥，并与他先后有深厚交往。 因此，以实验为依据，以数学推理为方法的二者紧密结合，成为他治学的信条。 另外，还有一个重要的因素就是牛顿善于继承前人的科学成果，奋发好学，善于思考。2 万有引力定律的形成万有引力定律是牛顿力学体系和天体力学的一个主要基石，他是由引力与相互作用物体质心之间距离的平方成反比，和与相互作用物体的质量乘积成正比这两个部分所组成。因此，在探讨万有引力定律的发现过程时，应注意它与引力平方反比定律的发现之间的关系和区别。万有引力定律的形成是建立在平方反比定律的基础之上，可以说如果没有平方反比思想，牛顿可能不会在当时，甚至不会是牛顿本人发现万有引力定律。2. 1 引力平方反比定律我们首先来看看牛顿早期的引力平方反比思想的形成。早在牛顿之前，引力平方反比思想就已出现，但未能得到证明和认可。据有关史料表明，当时虎克已认识到圆轨道运行时的引力平方反比关系，但他还未发现遵守引力平方反比关系的天体运行转道是椭圆，牛顿在1665年了解了这些情况并受到启发。后来法国哲学家伏尔泰为宣传牛顿的理论而虚构出来的“苹果落地”故事，只是为了说明牛顿这位科学巨匠在这个背景下促使他去思考和企图验证引力平方反比关系，以及是否能形成一个定律问题，而不是万有引力定律问题。牛顿对引力平方反比定律的证明和验证初期都是失败的。1665年 1666年在流水账中，曾通过物体在正多边形内沿圆周运动推导出沿圆周运动的“牛顿式离心力定律”，以此和落体定律与开普勒行星运动第三定律结合，推导出的平方反比关系，仍然是关于圆轨道上的。由于当时地球纬度测量不准而带来的计算地球半径误差大一些，使他的“地月检验”失败，后来的各行星与太阳之间的引力比值都未能证明和验证引力平方反比定律，这使牛顿以后很长一段时间心灰意冷。直到1679年11月24日虎克写信给牛顿，请他再研究引力平方反比关系之后，牛顿才在短时期内重新研究【3】。1684年5月哈雷访问虎克时，曾提出请他证明沿椭圆轨道运动的物体是否遵守引力平方反比关系，虎克回答说他能证明，但要等到别人都证明不了时再拿出来。接着哈雷又去访问牛顿，牛顿回答说自己在1679年已经证明了，但却偏偏找不到当时的手稿，只好再经三个月的计算将结果转交给了哈雷【4】。牛顿在证明引力平方反比定律时，并不是从落体定律和开普勒的行星运动第三定律推导，而是运用几何法和求极限的方法推导出来的【5】。 (参见原理一书382-385页。本文从略)得出结论: 。2. 2引力和相互作用物质质量的关系牛顿认为从发现引力平方反比定律到发现万有引力定律，还必须解决引力与相互作用物体的质量的关系问题，其关键是确立动质量概念。另外，他用磁铁在水平面上吸引铁屑等实验结果同落体运动相类比，才使作用力与质量和加速度的关系在水平和竖直运动两种情况下都具有在运动过程中持续作用的性质，实现了惯性质量与引力质量的等价【6】。自从实现了惯性质量与引力质量的等价这关键性的突破后，牛顿又在真空室中通过大量的实验发现两物体之间的引力与两物体的质量成正比，即，再加上平方反比定律、运动第二定律，使牛顿发现万有引力定律的研究进入了关键时刻。1687年原理一书发表时，指出任意两物体之间的引力满足: 不久又通过计算得出引力常数G，自此万有引力定律完全形成,引起了很大轰动。3万有引力定律的有力验证牛顿用此定律系统研究和计算了行星与太阳、月球与地球及彗星运行轨道等问题。发现计算结果与预计的数值在实验误差范围内基本符合。在天体上,亚当斯于1846年计算出天王星转道的不规则性，预言必因其它行星的引力而产生的，勒未累算出其方位，接着加利从观测中发现了海王星，误差不超过一度。于是，万有引力定律经过验证，取得了全世界的公认。万有引力定律从形成、诞生、发展期间，经历了推导、总结、肯定、否定，又在新的意义上的肯定这样一个曲折的过程。牛顿通过自己超人的智慧及顽强的毅力，在总结前人工作的基础上，终于形成了在天体力学中占有一席之地的万有引力定律，把人类对于天体研究带入了一个辉煌的历史时期【5】。4启示4. 1 科学发展源于继承与创新万有引力定律的建立是时代的产物，文艺复兴之后欧洲生气勃勃的科学时代为万有引力定律的建立创造了历史条件，那是个产生巨人的时代，时代造就了巨人，巨人创造了科学奇迹。万有引力定律的建立是生产实践和科学发展的必然结果。当时，航海、机械制造、采矿等行业的发展为科学的进步提供了强大的动力，为力学、天文学的发展积累了大量的资料，这些资料是建立万有引力定律必不可少的。牛顿正是继承了前人的研究成果，总结同时代人的有关工作，综合运用了直觉和猜测、类比、归纳、演绎、推理等各种科学研究方法，大量的运用数学方法，系统的整理物理理论，并有所突破、创新才建立了万有引力定律的。 4. 2 专注精神对科学发展的重要性任何科学理论的建立都不是一帆风顺的，牛顿等人在创立万有引力定律时曾碰到巨大困难，但他们不为困难所吓倒，他们为解决困难努力探索，最终取得成功。然而谁是真理的发现者是有严格条件的，牛顿之所以能完成发现发现万有引力定律的最后一步，是因为牛顿具有渊博的数学知识，敏锐的洞察力，勤奋刻苦的探索精神和谦虚的优良品德【6】。牛顿在临终前对自己的一生曾说了一段令人深思的话，“我不知道在别人看来，我是什么样的人，但在我自己看来，我不过就像一个在海边玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现”。参考文献1申先甲.牛顿的力学及其哲学思想M.北京: 人民出版社, 1987: 27-29.2郭奕冷,沈慧君.物理学史M.北京: 清华大学出版社, 1985: 19-22.3郑永令.牛顿运动观的历史探讨M.上海: 复旦大学出版社, 1986: 2-6.4申先甲,祁有龙.物理学史简编M.山东: 山东教育出版社, 1986: 33-36.5英伊萨克 牛顿.自然哲学之数学原理M.武汉: 武汉人民出版社, 1989: 204-217.6王福山.近代物理学史研究M.上海: 复旦大学出版社, 1988: 58-71.