牛顿万有引力定律

牛顿发现了万有引力,卡文迪许给这个伟大理论锦上添花

牛顿在1687年出版了一本书,叫《自然哲学的数学原理》。这本书里面提出了一个石破天惊的理论,叫万有引力定律。

说这个理论是石破天惊一点也没有夸大其词,因为万有引力的发现,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起来考虑,揭示了自然界中第一种相互作用力的规律,是人类认识自然的一座里程碑。

在以后的300多年时间里,万有引力定律成为所有科学最实用的一个理论,是大部分物理学最重要的基石。

这个理论说起来很简单,概括起来就是一句话:万有引力与两个相互作用物体的质量乘积成正比,与它们的距离平方成反比。

计算公式为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为两个相互作用的物体质量,R为相互作用两个物体之间的距离。

牛顿发现了万有引力,卡文迪许给这个伟大理论锦上添花

但在当时,上述万有引力精准的公式并没有得到,牛顿的万有引力计算公式只是:F∝mM/r^2

也就是说引力是正比于相互作用物体质量,反比于物体之间的距离平方。

道理是对的,但无法精准的计量。

这其中就是因为缺少了一个引力常量“G"。

这个G本来很好得出,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,代入万有引力定律,这个G就出来了。但由于地球上一般的物体质量太小,它们之间的引力也微乎其微,实在没有找到方法能够测量出来;而天体质量又太大了,那时有没有办法测出其质量,所以这个公式就无法完善。

牛顿发现了万有引力,卡文迪许给这个伟大理论锦上添花

科学家们为此苦恼了一个世纪。一直到1798年,在牛顿逝世70年后,英国人卡文迪许才用他的扭秤实验,结束了这种状态。

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,通常取值为6.67×10^-11N·m^2/kg^2。

如果用厘米克秒制表述则为G=6.67×10^-8 dyn·cm^2/g^2。

牛顿发现了万有引力定律后,一直难以精确量化引力的大小,为此科学家们苦恼了100年,都没有找到一个好方法来验证这个在地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,鼓捣了若干年,他弄出了一个扭秤,采用引力扭动金属线的方法,并且用光学方法放大了这种细微的扭动,验证了牛顿万有引力定律的正确性,并且测出了万有引力常量,取得的数值与现代精准数值非常接近。

牛顿发现了万有引力,卡文迪许给这个伟大理论锦上添花

著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英尺木棒的两端,像个哑铃形状,并在木棒的中间用金属线吊起来;再将两个重350磅的铜球放在相当近的地方,这两个大球将产生引力让绑着小球木棒转动,这样就扭动了金属线。

这个装置最关键的部分是在扭动的金属线装置的T型架上,有一面镜子,会随着金属线的扭动而转动。然后让一束光射到镜子上,镜子则把这束光反射到较远的刻度上,这样放大了扭动的效果,从而能够准确的测量出扭动角度的数值。

然后根据牛顿外有引力定律,就能够算出它们之间的引力常量。

牛顿发现了万有引力,卡文迪许给这个伟大理论锦上添花

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,一直到今天。

从此,人们根据物体的质量和它们之间的距离,就能够准确的计算出它们之间的万有引力;反之,也能够从万有引力的大小,得出万有引力与质量和距离的相关性结果。

其实牛顿的万有引力定律也是继承了胡克、哈雷等一些科学家的研究成果,但牛顿完美的诠释了这个定律。

牛顿的万有引力定律问世后,哈雷用这个定律测算出了哈雷彗星的轨道周期约为76年,并在哈雷逝世后,这颗彗星如期而至,引起整个欧洲轰动,为此人们把这颗彗星命名为“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现的,天文学家们发现根据万有引力定律,天王星的轨道不正确,难道是万有引力有问题?

后来英国剑桥大学生亚当斯通过计算和研究,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。根据亚当斯的测算数据,天文台的研究人员用望远镜找到了海王星。

牛顿发现了万有引力,卡文迪许给这个伟大理论锦上添花

当时轰动了世界,这个发现成为万有引力定律最辉煌的一次胜利。

即便到了今天,在天文发现和观测方面,万有影定律依然有着无法替代的作用。爱因斯坦发现了万有引力的本质是质量对时空造成的扰动,并且修正了经典力学在高速状态的一些误差,这并没有否定万有引力的伟大意义。

就是这样,欢迎讨论。

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