天體運行的認知演變及萬有引力定律的建立過程

呂付國

人類對天體運動的認識經(jīng)歷了漫長的過程，從肉眼到望遠鏡，從感性到理性，從保守到包容，從表象到實證，從修補到推翻，從想象到真實，直到萬有引力定律的建立，真實的空間觀經(jīng)歷兩千多年才露出真容。

1.遠古宇宙觀“蓋天說”

遠古時代，人類祖先站在洪荒漠野之上，從抬頭凝望日月星辰的那一刻，便再次停止對宇宙的探索。夜晚的滿天繁星如同一張巨網(wǎng)籠罩著大地，于是便有了“蓋天說”，人們認為地球是平的，天如一個碗倒扣在大地上，日月星辰遍布碗內(nèi)。

2.亞里士多德的“地心說”

地球如果是平的，對所有人來說日、月將在同一時間“升上”和“落下”，但這似乎并沒有發(fā)生。不同地方的觀察者觀測月食現(xiàn)象的時間并不相同，人們發(fā)現(xiàn)這個時間差異與不同地點間的距離成比例，因此可以合理地認為地球表面是球形的，且保持一致的曲率可以保證地球表面每一部分都按比例地跟隨地球運動。公元前4世紀，亞里士多德（公元前384-公元前322）創(chuàng)立了“地心說”。他認為，地球位于宇宙中心，日月星辰不斷繞地球運行，天體沿正圓軌道以統(tǒng)一不變的速率運動是出于對完美神明進行模仿的渴望，天體到地球距離永遠保持不變，所有天體順著一個方向運行。

3.托勒密的“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”

天體亮度的變化說明太陽、月亮、金星等離地球的距離是不斷變化的，而且行星有時會逆行。為了解釋這些現(xiàn)象，希臘的阿波羅尼阿斯開始“設(shè)計”偏心輪模型，認為地球不一定在某些天體圓軌道中心而在其一旁，至于逆行現(xiàn)象，他提出了天體運行的“周轉(zhuǎn)圓-均輪”結(jié)構(gòu)，天體獨自做圓周運動，圓周的中心又在另一個以地球為中心的圓周上運行，前者為“周轉(zhuǎn)圓”，后者為“均輪”。這一構(gòu)想最終經(jīng)希臘天文學家托勒密（90-168）完善后發(fā)表在《至大論》上，后逐漸被天主教、基督教和伊斯蘭教接納為世界觀的正統(tǒng)理論，因為它能很好地解釋當時天體的觀測結(jié)果，一直被沿用到16世紀。

4.哥白尼的“日心說”

隨著觀測技術(shù)的不斷進步，諸多觀測結(jié)果與托勒密的“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”理論的偏差越來越大。人們?yōu)榱私忉屵@些偏差，開始在原有的周轉(zhuǎn)圓上增加“次要周轉(zhuǎn)圓”，這種辦法起初還能勉強應付，到后來小本輪越來越多，使天體模型復雜得像一團毛線球，繁重的計算使人們開始懷疑地心說的正確性。

在16世紀，尼古拉·哥白尼（1473-1543）發(fā)展出了另一個關(guān)于宇宙的理論，他把托勒密“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”中的地球與太陽的位置互換，提出了著名的“日心說”。出于對教會迫害的顧慮，哥白尼直到68歲才下定決心將《天體運行論》出版，書中第一句話是：“圣明的教皇，我常常在想，一旦我將這本關(guān)于宇宙中天體運動的書公諸于眾，有多少人會因我對地球運行軌跡的解釋而氣急敗壞，進而揚言將我和我的學說送回地獄?！焙髞硖煳膶W家以哥白尼理論為基礎(chǔ)重新編排了一套天文學表格供人們使用，讓哥白尼體系廣為人們所知、所曉、所讀，并成為歐洲各大學中廣泛教授的課程。

哥白尼提出“日心說”的世界觀，在當時社會上激起軒然大波，沉重地打擊了封建教會的神權(quán)統(tǒng)治，同時也激發(fā)了一群具有科學創(chuàng)造意識的天文學家們的研究熱情，“日心說”是萬有引力定律建立的開端。

5.第谷體系

1576年，第谷·布拉赫（1546-1601）在丹麥國王腓特烈二世的資助下建立了“觀天堡”天文臺，第谷在這里進行了長達20余年的觀測（月球、恒星、行星、彗星），為天文學提供了珍貴且準確到超乎尋常的觀測數(shù)據(jù)。與當時大多數(shù)天文學家相同，第谷非常熟悉托勒密體系和哥白尼體系，面對“地心說”和“日心說”第谷提供了一個可行的妥協(xié)方案，保留了兩者的優(yōu)勢。他沒有建構(gòu)新的理論，沒有引入新的內(nèi)容，他對人們已熟知的內(nèi)容進行重新編排。他說地球是靜止的，而且是宇宙的中心，月球和太陽圍繞地球運轉(zhuǎn)，但是其它行星圍繞太陽轉(zhuǎn)。

6.開普勒體系

開普勒（1571-1630）來到“觀天堡”天文臺不到兩年第谷就去世了。開普勒用第谷的觀測結(jié)果（特別是火星數(shù)據(jù)）去一一驗證托勒密體系、哥白尼體系和第谷的折衷體系。遺憾的是，第谷的觀測結(jié)果與三個學說都不符合，但他堅信第谷的觀測數(shù)據(jù)是準確的，這股信念讓他摒棄了舊體系中兩個關(guān)鍵的概念性事實，即正圓事實和勻速圓周運動事實。開普勒發(fā)現(xiàn)行星以變化的速率沿橢圓軌道圍繞太陽運動的模型可以完美地解釋火星的數(shù)據(jù)。1609年開普勒發(fā)表了火星以變化的速率沿橢圓軌道運行的觀點，并隨之擴展到了其它行星，并以此為基礎(chǔ)他提出了行星運動的三大規(guī)律：“行星圍繞太陽沿橢圓軌道運轉(zhuǎn)，太陽占據(jù)橢圓軌道兩個焦點之一的位置;在同等的時間內(nèi)，行星和太陽的連線在其軌道平面上所掃過的面積相等;行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽距離的立方成正比”。開普勒三定律，為引力問題的研究奠定了直接基礎(chǔ)。他一方面揭示了行星的運動規(guī)律，另一方面引出了新的問題：行星為什么要這樣運動？開普勒認為是從太陽上發(fā)出的一種不可見、無實體、并隨著太陽轉(zhuǎn)動的磁力連接到行星，從而“推著”行星運動。

7.牛頓的終極論證

1665年，22歲的牛頓（1643-1727）開始研究引力問題，他從伽利略對拋體運動的研究結(jié)論中得到啟發(fā)，當平拋的初速度越大時，物體的水平位移就越大，如果在高山上以足夠大的初速度拋出一個物體，它將永遠不會落到地面。牛頓推想，如果在月球等高處釋放一個物體，會和從一棵蘋果樹上掉落的一個蘋果一樣落到地面，那么地球表面物體的運動與天上月球運動遵守的規(guī)律應該是一致的。

牛頓與弗萊姆斯蒂德在討論1680年末出現(xiàn)的慧星時表示：“我能夠容易地理解到，在太陽的中心確實存在著能夠保持行星運行在它們軌道之中而不是沿著切線方向離開的吸引力?！迸ｎD可以證明所有的衛(wèi)星在一個力的作用下離開了直線運動進入繞著一個中心的運行軌道?，F(xiàn)以月球繞地球為例，月球的運行周期是27天7小時43分鐘，地球的周長為123249600巴黎呎，“如果讓一個保證月球在其軌道上運行的力在我們的區(qū)域里作用于一個下落過程中的物體，那么這個物體一秒鐘應該降落15英尺1寸零1/12寸?！?由此，牛頓提出重力是普遍存在的，宇宙中所有微粒都吸引著其它的微粒，“存在一個作用力把物體拉向地球的中心，這個力同時延伸到月球，它拉動月球就像它牽引一個蘋果那樣?！?/p>

1678年到1679年，羅伯特·胡克、哈雷、雷恩等人，根據(jù)開普勒第三定律和惠更斯離心力定律，推導出如果把行星的橢圓軌道看作圓形，則行星受到的向心力和距離的平方成反比，但他們都無法證明行星沿橢圓軌道運行時受到的吸引力也遵循平方反比關(guān)系，最終牛頓用自己獨創(chuàng)的微積分和他對行星行動的理解完成這項證明。

1685年牛頓完整的確立并公布了萬有引力定律：F=G0m1×m2r2，m1×m2是兩物體質(zhì)量的乘積，r是二者間的距離，G0是萬有引力常量。時隔百年之后，1789年英國物理學家卡文迪許用“扭稱實驗”第一次測得準確的引力常量G0=6.754×10-11N·m2/kg2。

牛頓在伽利略、笛卡爾、開普勒、胡克、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結(jié)出以牛頓運動定律和萬有引力定律為核心的力學運動規(guī)律，建立了完整的經(jīng)典力學體系，物理學從此成為一門成熟的自然科學。

責任編輯 邱麗