牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的思維過程探析

劉憲升

摘 要：萬有引力的發(fā)現(xiàn)是牛頓善于觀察與想象，善于聯(lián)系、融合各學(xué)科知識(shí)及前人的研究成果，長(zhǎng)期思考與研究的結(jié)果。文章從人們認(rèn)識(shí)不到引力的事實(shí)及原因進(jìn)行分析，構(gòu)造、探討地球?qū)ζ渖系奶O果等物體、對(duì)空中附近物體和月球有吸引力，進(jìn)而指出星體之間、任何兩個(gè)物體之間有吸引力，證明萬有引力存在的思維過程。

關(guān)鍵詞：萬有引力;牛頓;蘋果落地;科學(xué)思維;吸引力

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-3561（2020）15-0034-02

著名的科學(xué)家牛頓看到蘋果從樹上掉下來落在地上，想到為什么不往天上“飛”，也不橫著“跑”，經(jīng)過反復(fù)觀察與研究，終于發(fā)現(xiàn)萬有引力的故事在我國(guó)家喻戶曉。可是學(xué)生雖然聽了很多遍，卻未必能引起他們的深思。為此，筆者對(duì)牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的思維過程進(jìn)行探討。

一、人們認(rèn)識(shí)不到引力的事實(shí)及原因分析

自古人們就知道物體有重量，亞里士多德在兩千多年前就提出物體往下掉落的原因是其有重量。人們?cè)?7世紀(jì)早期就已經(jīng)知道重力，認(rèn)識(shí)到地面上的物體都受重力的作用豎直向下落（只是沒認(rèn)識(shí)到它是由引力而產(chǎn)生的）。正是無數(shù)的人看到了無數(shù)的從樹上或高處掉落下來的果子等物體，而沒有認(rèn)識(shí)到引力的原因，讓不少人懷疑此故事真實(shí)性。

其實(shí)，真正認(rèn)識(shí)到地球?qū)μO果有吸引力或萬有引力是很困難的。不然的話，也不會(huì)等到牛頓去發(fā)現(xiàn)。筆者愚鈍，聽了故事猶墜云霧之中，甚至學(xué)了高中和大學(xué)物理也只是為了考試而被動(dòng)接受，并沒有真正認(rèn)識(shí)到引力的存在。而且被故事中的一句“反復(fù)地觀察與研究，終于……”打入了“苦海深淵”，這使筆者沉思、苦苦探索了很長(zhǎng)時(shí)間。筆者認(rèn)為，牛頓有可能是受到蘋果落地的啟發(fā)發(fā)現(xiàn)了地球?qū)μO果的吸引力。那別人為什么認(rèn)識(shí)不到呢？大多數(shù)人之所以看不到引力，一是由于生活在一個(gè)小圈子里，看問題受到了局限，做不到多方位、全面地看問題;二是不能把問題與已知的事實(shí)相聯(lián)系，缺乏想象力和思維力。

二、發(fā)現(xiàn)萬有引力的思維過程分析

1.地球和它上面的物體都有相互吸引力

（1）地球?qū)μO果有吸引力。牛頓發(fā)現(xiàn)地球?qū)μO果有吸引力，是充分發(fā)揮其想象力，多方位觀察、思考的結(jié)果。首先，地球是球形的，不同地方蘋果樹上的蘋果掉下來落在樹所在的地上，但落地的方向不一致。其次，聯(lián)想到生活中，人們經(jīng)常把東西從下方提到上方。如用繩子拴上水桶到井里去提水，人們得用力拉繩子才能將水桶提上來。與此類比，地球下方的蘋果，應(yīng)該有一根無形的繩子把它拉了上來，這種拉力就是地球?qū)μO果的吸引力。那怎樣去驗(yàn)證上述想象與思考呢？牛頓充分展現(xiàn)了他的抽象思維能力，將地球抽象為地球模型（如地球儀）并安裝上蘋果樹的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。如規(guī)定了地球模型上某地為上方后，若不給模型下方的蘋果模型一個(gè)向上的力的作用，是落不到地球模型上去的。再次，雖然驗(yàn)證了想象與思考是對(duì)的，但這與人們司空見慣的、由于重量（力）而使物體往下落的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了矛盾。牛頓通過對(duì)地球模型上的蘋果模型落向和是否需要外力的比較與思考，認(rèn)識(shí)到蘋果的重量或所受重力是由于地球?qū)λ奈Χa(chǎn)生的，且指向地球中心，這就認(rèn)清了重力的來源和實(shí)質(zhì)，坐實(shí)了蘋果落地是地球?qū)ζ溆形Φ慕Y(jié)果，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識(shí)上的一次飛躍。（2）類比推廣——地球和它上面的物體都有相互吸引力。在認(rèn)識(shí)了地球?qū)μO果有吸引力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行類比推廣，得到地球?qū)Φ厍蛏系奈矬w，如人、牛、羊、桃、梨、石頭等所有物體都有吸引力。再根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，得出地球和它上面的物體之間都有相互吸引力。

2.聯(lián)想類比與推廣——星體之間有引力

那牛頓又是怎樣把它發(fā)展到天體上去的呢？筆者認(rèn)為，牛頓進(jìn)行了以下推廣。

（1）地球與空中附近物體之間有引力。上面的推廣，物體畢竟在地球上或與地球相連（如蘋果通過樹枝樹干與地球相連），否則的話是否也有引力呢？聯(lián)想到離地球比較近的云，有時(shí)下冰雹、雨滴、雪花。冰雹是有重量的，雖然一滴雨滴、一片雪花感覺不出重量，當(dāng)積累起來也有重量，所以雨滴、雪花都有重量。因此，它們也是受到地球的吸引力才落下來的。從而得出：地球和空中附近的物體之間也有相互吸引力。（2）地球與其他星體之間有引力。在進(jìn)行了上述思考后，牛頓想到離地球再遠(yuǎn)的物體（如星體）是否也受到地球的引力作用呢？聯(lián)想到有的星星成為流星掉下來落到地上成為隕石，且隕石也有重量，這就說明它也是受到地球的吸引力才落地的。于是，牛頓猜想：不管星體離地球多遠(yuǎn)都受到地球?qū)λ奈ψ饔?。因此，月亮也?yīng)該受到地球?qū)λ奈ψ饔茫伤鼮槭裁床宦涞啬?？這促使他進(jìn)一步進(jìn)行探討。首先，巨人肩上尋原因。之前，伽利略證明了行星的運(yùn)轉(zhuǎn)，開普勒提出了行星運(yùn)轉(zhuǎn)的三大定律，解決了月亮繞地球做近似圓周運(yùn)動(dòng)及地球?qū)υ虑蛭膯栴}。牛頓受此啟發(fā)猜想：月亮不落地是它繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的原因。其次，聯(lián)想類比與證實(shí)。牛頓聯(lián)想到小時(shí)候經(jīng)常玩的游戲，一頭拴著小石頭的繩子，一頭拿手中，但可以牽引著小石頭在空中繞著手做圓周運(yùn)動(dòng)，石頭雖有重量但不落地。倘若一撒手（失去了牽引力），石頭就不再做圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)沿切線方向飛出去，然后在地球引力（或重力）的作用下落地。而且在同一方向飛出去的小石頭（如都從最高點(diǎn)飛出去），轉(zhuǎn)得越快飛得越遠(yuǎn)。這會(huì)讓人想象到，如果轉(zhuǎn)得很快很快，小石頭就將不再落到地面上，而是圍繞地球旋轉(zhuǎn)起來;要是地球沒有引力，這石頭就會(huì)沿切線方向照直飛去。于是，牛頓進(jìn)行類比猜測(cè)：月亮繞地球做近似的圓周運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該是地球像手牽引石頭一樣，用一根看不見的繩子牽引著月亮繞自己運(yùn)動(dòng)，即地球?qū)υ虑蛴形?。牛頓想月亮不落下來，也不跑，做圓周運(yùn)動(dòng)的原因是繞地球運(yùn)行所需的向心力等于離心力，而向心力就是地球?qū)υ虑虻奈?。至此，牛頓憑借他豐富的想象力和思維能力，認(rèn)為月亮運(yùn)行也是引力作用的結(jié)果，這和地球吸引蘋果的力是同一種性質(zhì)的力，達(dá)到了認(rèn)識(shí)上的又一次升華。牛頓再根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，月球?qū)Φ厍蛞灿形?，進(jìn)而推出，不管星體落不落地，也不管星體離地球多遠(yuǎn)，地球和其他星體之間都有相互吸引力。（3）星體之間有引力。開普勒曾提出太陽伸出一只看不見的巨大的手拉著行星跟太陽一起旋轉(zhuǎn)。胡克推測(cè)太陽對(duì)所有星球和地球產(chǎn)生一種吸引力，使它們圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。站在他們的肩上，牛頓又把上述研究結(jié)果類比推廣到了所有的天體之間。地球等星體圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，它們之間有相互吸引力;地球等星體帶著繞它們旋轉(zhuǎn)的月球等星體也繞太陽旋轉(zhuǎn)，從而太陽與月球等星體之間也有相互吸引力。牛頓進(jìn)而類比得出：任何兩個(gè)星體之間都有相互吸引力。

3.返回地球再類比——萬物之間有引力

牛頓在解決了天體之間的相互吸引力后，又類比到地球上來，提出了地球上兩個(gè)物體之間都有相互吸引力（后來的科學(xué)家證實(shí)了這一點(diǎn)）。至此，牛頓得到了不論天上地下，宇宙中任何兩個(gè)物體之間都具有相互吸引力——稱為萬有引力。而后，他借助前人的研究成果和自己深厚的數(shù)學(xué)功底，推導(dǎo)出了計(jì)算引力的公式——萬有引力定律公式。這樣，就實(shí)現(xiàn)了地面上物體運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)一，地面上的力學(xué)和天文學(xué)上的力學(xué)的統(tǒng)一，筑起了人們探索宇宙奧妙的天梯。

綜上可知，萬有引力的發(fā)現(xiàn)是牛頓善于觀察與想象，善于聯(lián)系、融合各學(xué)科知識(shí)及前人的研究成果，長(zhǎng)期思考與研究的結(jié)果，是其科學(xué)思維的結(jié)晶，絕不是一個(gè)蘋果落地就能解決的。當(dāng)然，上述思維過程是筆者多年來探討、構(gòu)造的結(jié)果，未必是牛頓的思維過程，目的是給人以更多的啟迪。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]勵(lì)箭生.關(guān)于萬有引力定律的推證[J].物理教學(xué)探討，2010（10）.

[3]閻康平.牛頓的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)思想[M].長(zhǎng)沙：湖南教育出版社，1989.

[4]薛曉明.探究牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的創(chuàng)新思維[J].陜西教育，2008（01）.

Discuss on Newton's Thinking Process of

Discovering Gravitation

Liu Xiansheng

（College of Science，Binzhou University， Binzhou 256600， China）

Abstract： The discovery of universal gravitation is the result of Newton's long-term thinking and research， which is good at observation and imagination， good at connecting and integrating knowledge of various disciplines and previous research results. This paper analyzes the facts and causes of people's unawareness of gravity， constructs and probes into the attraction of the earth to the apple and other objects on it， the objects near the sky and the moon， and points out the attraction between stars and any two objects， proving the thinking process of the existence of gravity.

Key words： gravitation; Newton; apple landing; scientific thinking; attraction