宇宙引力是如何形成的（科学史上如此美丽的万有引力理论）

发布时间：2024-09-03阅读(2)

导读作者|宇宙物理学本文字数2200字，阅读需要10分钟。01导言“科学真是迷人！”著名文学家马克·吐温，虽然是一名科学外行，也曾满怀激情的这样讲，“科学真实迷....

作者 | 宇宙物理学

本文字数2200字，阅读需要10分钟。

01导言

“科学真是迷人！”

著名文学家马克·吐温，虽然是一名科学外行，也曾满怀激情的这样讲，“科学真实迷人！根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获！”

万有引力定律，毋庸置疑，是物理学、乃至近代科学的奠基性的定律之一。

它的“能量”是巨大的，催生出无数惊人的成就。

正像马克吐温所说的，使用好万有引力定律，可以让我们获得不少的收获！

今天，宇宙君就带大家了解一下，万有引力理论自诞生以来，都催生了哪些成就。

02称量地球的质量！

关于地球的质量，有一些很著名的故事。

阿基米德的豪言：

比如，古希腊哲学家、物理学家阿基米德曾经说过：“给我一个支点，我可以撬动整个地球！”

我们都知道，这是杠杆原理：

动力×动力臂=阻力×阻力臂
但是，我们需要一个多长的杆儿能才能撬动地球呢？
为了完成这个计算，我们就需要知道：地球到底有多重？——或者，地球的质量是多少？
万有引力定律的出现：
千年过去了，这个问题一直没有解决——人们很早就计算出了地球的大小（测量出了地球的直径），却一直不能测量地球的质量——而且，是根本找不到方法。
直到万有引力定律的出现，提供了方法，才让测量地球的质量成为可能。
牛顿给出测量地球质量的预言：
我们看到，根据万有引力定律的形式，引力与地球质量成正比。一旦我们知道其他几个参数：比如，G，m，R；再测量出F——带入方程，就计算出了地球的质量M。
对于R，很早就测量出来了，大约是6400千米；
对于m，可以用天平来测量；
对于F，有一个简单方式获得：F=mg，g=9.8N/kg。
那么，最后就只剩下G了！
一旦测量出来G，地球的质量就相当于测出来啦！
牛顿
卡文迪许：
牛顿的预言，在100年后，由卡文迪许实现了。
扭秤原理
卡文迪许在自己的实验室中，利用扭秤原理测量出了G的值。而且，他的测量结果，非常接近我们现在用高科技测量出来的G值。
最后，卡文迪许将G带入方程：
求得地球的质量M：
M=5.965×10^24千克≈6×10^24千克
也就是6亿亿亿千克！
人类终于第一次测得了我们母星地球的质量！这不能不说是万有引力理论的伟大成就！
具体的测量方法，请看宇宙君的文章：
宇宙物理学：宇宙基本参数之一，万有引力常量G，是如何测量的？
03计算天体的质量
我们还可以利用万有引力定律，计算太阳的质量。
利用行星（比如地球）绕太阳转动做近似的匀速圆周运动，它所受到的向心力是由万有引力提供的，因此可以从这个方程中，求解出太阳的质量。
设太阳的质量为M，m为某个行星的质量，R是行星与太阳之间的距离，T是行星的运动周期（也就是绕太阳一周所需要的时间，比如，地球的周期就是1年）。
根据向心力等于万有引力：
变化得M的表达式：
只要测出行星的公转周期T和行星、太阳之间的距离R，就可以计算出太阳的质量了！
我们就用地球就好了！
地球的公转周期是1年，地日之间的距离是1.5亿千米，G的值是6.754×10^-11N·m²/kg²
所以M=1.989×10^30千克≈2×10^30千克=33万倍的地球质量。
04发现海王星
万有引力定律最精彩的成就就是发现海王星了！
天王星的诡异路径
18世纪，人们已经知道太阳系有7颗行星，其中1781年发现的第7颗行星被命名为“天王星”。
天王星
后来，天文学家发现，天王星的轨道有些古怪：根据万有引力计算出来的轨道，与观测出来的天王星的实际轨道总是不相符。
有人据此认定万有引力定律的准确性是有问题的。
但是，另一些人却全力支持牛顿，支持万有引力——他们提出，在天王星的外部，还有一颗未被发现的行星。正是这颗行星的引力，影响了天王星的运动。
到底孰是孰非？
英国剑桥大学的学生——亚当斯和法国年轻的天文学家——勒维耶都相信未知行星的存在。
他们两人各自独立的，使用天王星的观测数据，推测出了这颗未知行星的轨道。
1846年9月，德国天文学家加勒，在勒维耶预言的位置发现了这颗行星。
后来这颗行星被称为海王星。
海王星
由于上述原因，海王星也被称为“笔尖上发现的行星”！
这再一次证明了万有引力定律的正确性，发现海王星，也称为人类科学史上最精彩的时刻！
关于这段历史，宇宙君写过一篇文章来介绍，请点击链接观看，相信你一定不会失望！
自然科学的高光时刻：「海王星发现」背后的科学秘闻和大国博弈
05更多发现和成就
除了发现海王星之外，万有引力定律还有其他一些惊人的成就。
哈雷彗星的回归
1705年，英国天文学家哈雷，根据万有引力定律计算出了一颗著名彗星的轨道，并正确的预言了它的回归。
这颗彗星最终以哈雷的名字来命名，也就是“哈雷彗星”！
木星的质量
木星是太阳系的老大哥，它有众多的卫星。
和测量太阳的质量相似，我们可以根据木星卫星的运动，精确测量出木星的质量。
......
06结语
海王星的发现和哈雷彗星的按时回归确立了万有引力的定位，称为科学史上的美谈。
诺贝尔物理学奖获得者，物理学家冯·劳厄曾说过：
没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力的树立起人们对年轻物理学家的尊敬。从此以后，物理学这门自然学科，成了巨大的精神王国......
近一百年来，人们在海王星的轨道外面，又发现了一些太阳系初期遗留的物质，其中有一些较大的天体，比如冥王星，阋（xi，四声）神星等。
在那里，太阳的光线非常微弱，人们根本看不到任何东西；
在这个黑暗的领域，只有万有引力定律，才是我们最强的武器！利用引力的触手，我们就能像正常一样，“观察”和“触摸”到隐藏在黑暗中的信息！
万有引力定律的伟大成就还有很多，在此不能一一列举，好奇的朋友可以关注后，点看宇宙君写的，关于引力的系列文章。
（完）
参考资料：
《费曼物理学讲义》
《苏格爸的奇妙物理》
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