万有引力和扭秤

4　万有引力和扭秤

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万有引力定律是物体间相互作用的一条定律，牛顿在1687年发现了这一定律。定律指出，任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出了万有引力定律。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。

海王星

另外，牛顿还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。

万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单的说，质量越大的东西产生的引力越大，这个力与两个物体的质量均成正比，与两个物体间的距离平方成反比。地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。

17世纪早期，人们已经能够区分很多力，比如摩擦力、重力、空气阻力、电力和人力等。牛顿首次将这些看似不同的力准确地归结到万有引力概念里：苹果落地，人有体重，月亮围绕地球转，所有这些现象都是由相同原因引起的。牛顿的万有引力定律简单易懂，涵盖面广。

顿发现万有引力

万有引力的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

牛顿的万有引力概念是所有科学中最实用的概念之一。牛顿认为万有引力是所有物质的基本特征，这成为大部分物理科学的理论基石。

通常两个物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它，可以不予考虑。比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米，他们之间的万有引力还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！但是，天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。在天体中质量还算很小的地球，对其他的物体的万有引力已经具有巨大的影响，它把人类、大气和所有地面物体束缚在地球上，它使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。

由于地面附近的物体受到地球的万有引力而产生的就是重力0。但是需要注意的是，因为地球在自转，除了在南极北极端点，在地球上任意一点的物体，其重力并不等于万有引力。此时可看作绕地球的向心力和重力合成万有引力。由于绕地球自转的向心力远小于重力，故一般就认为重力就略等于万有引力了，其实重力是略小于万有引力的，只有在南北极物体绕地球自转的向心力为零时，重力才等于万有引力。

牛顿发现的并不是重力，他是发现重力是“万有”的。每个物体都会吸引其他物体，而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关。牛顿的万有引力定律说明，每一个物体都吸引着其他每一个物体，而两个物体间的引力大小，正比于这它们的质量，并且会随着两物体中心连线距离的平方而递减。牛顿为了证明只有球形体可把“球的总质量集中到球的质心点”来代表整个球的万有引力作用的总效果而发展了微积分。然而不管距离地球多远，地球的重力永远不会变成零，即使你被带到宇宙的边缘，地球的重力还是会作用到你身上，虽然地球重力的作用可能会被你附近质量巨大的物体所掩盖，但它还是存在。不管是多小还是多远，每一个物体都会受到引力作用，而且遍布整个太空，正如我们所说的”万有”。

牛顿虽然发现了万有引力，但是谁知道这一引力到底多大呢？

知识拓展

牛顿是怎么发现万有引力的？

1666年，黑死病席卷了伦敦，热衷于学术的牛顿只好返回安全的乡村，等待病魔的早日离去。

在乡村的日子里，牛顿一直被这样的问题困惑：是什么力量驱使月球围绕地球转，地球围绕太阳转？为什么月球不会掉落到地球上？为什么地球不会掉落到太阳上？

有一天，坐在姐姐的果园里的牛顿听到熟悉的声音。“咚”的一声，一只苹果落到草地上。他急忙转头观察第二只苹果落地。第二只苹果从外伸的树枝上落下，在地上反弹了一下，静静地躺在草地上。这只苹果肯定不是牛顿见到的第一只落地的苹果，当然第二只和第一只没有什么差别。苹果落地虽没有给牛顿提供答案，但却激发这位年轻的科学家思考一个新问题：苹果会落地，而月球却不会掉落到地球上，苹果和月亮之间存在什么不同呢？

第二天早晨，天气晴朗，牛顿看见小外甥正在玩小球。他手上拴着一条皮筋，皮筋的另一端系着小球。他先慢慢地摇摆小球，然后越来越快，最后小球就径直抛出。

牛顿猛地意识到月球和小球的运动极为相像。两种力量作用于小球，这两种力量是向外的推动力和皮筋的拉力。同样，也有两种力量作用于月球，即月球运行的推动力和重力的拉力。正是在重力作用下，苹果才会落地。

18世纪末，英国科学家亨利·卡文迪许决定一定要找出这个引力。卡文迪许将小金属球系在长约1.8米的木棒的两边，并用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样。再将两个约157千克的铜球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭转金属线。然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人地准确，他测出了万有引力的万有引力常量。

1913年，伟大的物理学家爱因斯坦提出了万有引力场论。爱因斯坦认为任何带有质量的物体周围都存在有引力场，引力场是通过引力波来传播的，引力波像电磁波那样通过媒介子传播，我们都知道电磁波是通过光子来传播能量的，因此它的媒介子是光子，引力波在传播能量的过程中，同样有媒介子的作用，爱因斯坦把这一媒介子称之为引力子。引力子以光速传播，它的质量与光子一样为0。

伟大的物理学家爱因斯坦

经过这么多年的探索，人们一直没能在宇宙中发现它的踪影，现在我们没有足够的证据证明它的存在，也没有足够的证据否认它的存在。因此，探索引力子是否存在成为科学界的一大难题。

虽然引力子在宇宙中无处不在，但探索之路仍然是举步维艰。有学者认为，引力之微弱表明，其媒介子引力子几乎不与其他的物质发生反应，这是我们长期探测不到它的原由，这个理由虽然很有说服力，但也不足以证明引力子是存在的事实。

科学家们试图找到一种更有说服力的方法，就是证明引力波的存在，从而间接地证明引力子的存在。如果可以证明宇宙中有引力波存在，那么引力波必定有与之对应的媒介子引力子来传递能量。

引力波在宇宙中是普遍存在的，星体的加速旋转，相撞，吞并等都可以使引力场发生扰动并产生引力波，但由于引力波与引力子一样很难与其他物质发生反应，以至于至今我们都无法探测它的存在，只能间接地通过观测行星发生引力辐射，而导致周期的变化证实它的存在。

引力辐射是引力波的另一种称呼，它是指引力波从星体或星系中辐射出来的现象，如果证明了引力辐射的存在就等于证实了引力波的存在。

引力辐射的存在，意味着引力波在宇宙中是存在的，并且无所不在。同时也证明了引力波的媒介子引力子的存在。

通过这些论断，可以证明引力子在宇宙中是必定存在的，只不过我们无法探测到。引力子的无法探测性，其实并不影响我们寻求量子引力理论，因为量子引力理论建立的基础是场，而不是粒子。

重力和万有引力的方向不同，重力是竖直向下，万有引力是指向地心，竖直向下和指向地心是不同的，不能混淆。事实上，万有引力从牛顿力学角度来说是力，从相对论来说是时空弯曲的表现。

知识解码

伟大的科学家——牛顿

艾萨克·牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家，同时也是物理学家、数学家和哲学家，晚年醉心于炼金术和神学。他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律。这四条定律构成了一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为现代工程学的基础。

他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量角动量守恒之原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究做出了贡献。

牛顿为人类建立起“理性主义”的旗帜，开启工业革命的大门。牛顿逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂，成为在此长眠的第一个科学家。