萬有引力的發(fā)現(xiàn)過程及其地位作用

楊正美

引言

萬有引力（稱為引力、重力）是任何有質(zhì)量的物體之間的一種吸引力。兩個(gè)物體之間引力大小與兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與兩個(gè)物體的距離平方成反比。萬有引力作用方向在兩個(gè)物體質(zhì)心的連線上。也就是說，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的萬有引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比，方向在它們的連線上。

1 牛頓是如何發(fā)現(xiàn)萬有引力的

物理學(xué)形成一門獨(dú)立的學(xué)科，并且成為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是從經(jīng)典力學(xué)開始的。在此之前，人類的文明史中雖有不少有關(guān)物理的、有價(jià)值的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，但沒有形成完整的理論體系，也就是說，還沒有構(gòu)成獨(dú)立的物理學(xué)。16世紀(jì)以后，由于航海、戰(zhàn)爭和工業(yè)生產(chǎn)的需要，力學(xué)的研究得到了迅速的發(fā)展。航海事業(yè)促進(jìn)了天文觀測，天體運(yùn)行的大量精確的數(shù)據(jù)資料為揭示行星運(yùn)動的規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。17世紀(jì)，牛頓總結(jié)了以開普勒、伽利略為代表的許多物理學(xué)家的研究成果，建立了牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的誕生。牛頓建立的力學(xué)體系經(jīng)過伯努利﹑朗日、達(dá)朗貝爾等人的推廣和完善，形成了系統(tǒng)的理論，得到了廣泛的應(yīng)用并進(jìn)一步發(fā)展出了流體力學(xué)、彈性力學(xué)和分析力學(xué)等分支，使經(jīng)典力學(xué)成為自然科學(xué)中的主導(dǎo)和領(lǐng)先學(xué)科，由此我們可以看出，有關(guān)引力問題的研究是物理學(xué)發(fā)展的一塊重要的基石。

萬有引力的發(fā)現(xiàn)，是17世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面上的物體運(yùn)動的規(guī)律和天體運(yùn)動的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。它第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的規(guī)律，使人類認(rèn)識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

兩個(gè)通常物體之間的萬有引力極其微小，我們察覺不到它，可以不予考慮。比如，兩個(gè)質(zhì)量都是60千克的人，相距0.5米間的萬有引力還不足百萬分之一牛頓，而一只螞蟻拖動細(xì)草梗的力竟是這個(gè)引力的1000倍！但是，天體系統(tǒng)中，由于天體的質(zhì)量很大，萬有引力就起著決定性的作用。在天體中質(zhì)量還算很小的地球，對其他的物體的萬有引力已經(jīng)具有巨大的影響，它把人類、大氣和所有地面物體束縛在地球上，它使月球和人造地球衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)而不離去。

重力，就是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產(chǎn)生的。但是需要注意的是，因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)，除了在南極北極端點(diǎn)，在地球上任意一點(diǎn)的物體，其重力并不等于萬有引力。此時(shí)可看作繞地球的向心力和重力合成萬有引力。由于繞地球自轉(zhuǎn)的向心力遠(yuǎn)小于重力，故一般就認(rèn)為重力就略等于萬有引力了，其實(shí)重力是略小于萬有引力的，只有在南北極物體繞地球自轉(zhuǎn)的向心力為零時(shí)，重力才等于萬有引力。

現(xiàn)在我認(rèn)為，物質(zhì)之間可以相互發(fā)出有引力線。引力線也是質(zhì)量存在的一種形式。引力場或引力線也有質(zhì)量。引力場有一定強(qiáng)度，有的大、有的小。我們似乎可以計(jì)算引力場的質(zhì)量大小?；究梢赃@樣認(rèn)為，空間引力場質(zhì)量的大小，在引力場強(qiáng)度一定時(shí)，與空間體積的大小成正比。與引力場的強(qiáng)度成正比，應(yīng)該是這樣吧？是不是這樣無所謂，不涉及這個(gè)問題。暫時(shí)只研究，空間引力場質(zhì)量的大小，在引力場強(qiáng)度一定時(shí)，與空間體積的大小成正比。

一定質(zhì)量的物質(zhì)，發(fā)出的引力線或引力場的狀況如何呢？是不是，引力線或引力場，從這個(gè)物質(zhì)出發(fā)而終止于其它所有物質(zhì)?；蛘哒f，引力線或引力場，從這個(gè)物質(zhì)出發(fā)而不考慮其它的任何物質(zhì)，只是向前發(fā)出，永無止境呢？這是兩種不同的情況。

如果是永無止境的向前運(yùn)動，只是碰到物質(zhì)時(shí)，便有作用力，既引力。如果是這樣的，萬有引力效果，與我們現(xiàn)在所感覺的一樣，沒有什么差別。既，與引力線或引力場從物質(zhì)出發(fā)，而終止于其它所有物質(zhì)的萬有引力效果，與不這樣假設(shè)是一樣的。

2 愛因斯坦如何用相對論解釋萬有引力

狹義相對論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認(rèn)為是一種超距作用，它的傳遞不需要時(shí)間，產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也要加以改造。

改造的關(guān)鍵來自厄缶的實(shí)驗(yàn)，它以很高的精確度證明：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，固此不論行星的質(zhì)量多大多小，只要在某一時(shí)刻它們的空間坐標(biāo)和速度都相同，那末它們的運(yùn)行軌道都將永遠(yuǎn)相同。這個(gè)結(jié)論啟發(fā)了愛因斯坦設(shè)想：萬有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對論。

根據(jù)廣義相對論，空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體的運(yùn)行軌道。在引力不強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲度很小情況下，廣義相對論的結(jié)論同牛頓萬有引力定律和牛頓運(yùn)動定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的隋況下，就有區(qū)別。不過這種區(qū)別常常很小，難以在實(shí)驗(yàn)中觀察到。從廣義相對論提出到現(xiàn)在，還只有四種實(shí)驗(yàn)?zāi)軝z驗(yàn)出這種區(qū)別。廣義相對論不僅對于天體的結(jié)構(gòu)和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化也有重要意義。廣義相對論作為新的引力理論得到了實(shí)踐的支持。愛因斯坦本人首先用它解釋了用牛頓引力理論不能完全解釋的水星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動問題。接著，他計(jì)算了太陽引力場對星光的彎曲，所得結(jié)果比牛頓引力理論的相應(yīng)結(jié)果大一倍，但與后來天文觀測的結(jié)果很接近。愛因斯坦在創(chuàng)建了現(xiàn)代引力理論后，又據(jù)此提出了新的宇宙模型，這標(biāo)志著相對論宇宙學(xué)的誕生，也是現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的開始。20世紀(jì)60年代，隨著中子星的發(fā)現(xiàn)、3K宇宙背景輻射的確認(rèn)等一系列科學(xué)上的重大進(jìn)展，現(xiàn)代引力理論及在此基礎(chǔ)上建立起來的大爆炸宇宙模型得到了普遍的接受?？v觀物理學(xué)發(fā)展的歷史，可以看出，從牛頓萬有引力定律，到愛因斯坦廣義相對論，有關(guān)引力的理論，形成了物理學(xué)中理論發(fā)展的一條鮮明的主線。它既是一個(gè)古老的課題，又是最現(xiàn)代前沿的領(lǐng)域；既是物理理論最早建立的基礎(chǔ)，又是當(dāng)今理論研究方興未艾的焦點(diǎn)之一。除了在理論上的重要地位以外，在實(shí)踐中，萬有引力也有廣泛的應(yīng)用。可以說，一切發(fā)生在地球上的自然現(xiàn)象和人類所進(jìn)行的各種生產(chǎn)活動，無一不與萬有引力有關(guān)。特別是人造衛(wèi)星的發(fā)射和利用，涉及到現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、軍事偵察、無線電通訊，甚至深入到文化傳播、政治宣傳等上層建筑和人類生活的方方面面。從天文授時(shí)到大地測量，從重力探礦、資源普查到氣象和潮汐預(yù)報(bào)，從宇宙探索、航天技術(shù)到電視轉(zhuǎn)播、全球移動電話，其應(yīng)用之廣，不勝枚舉。萬有引力在物理學(xué)中所占的重要地位，由此可見一斑。