高中物理 第五章 經(jīng)典力學與物理學的革命 牛頓軼事素材 粵教版必修2（通用）

牛頓軼事 蘋果的傳說許多介紹牛頓的書上都介紹過牛頓與蘋果的傳奇故事：16651666之間，由于劍橋流行黑熱病，學校被迫停學，剛從劍橋拿到學士學位的牛頓也返回了家鄉(xiāng)。一天，牛頓正坐在一棵蘋果樹下看書及思考問題時，有一個蘋果落了下來，這一下子啟發(fā)了牛頓。但后來經(jīng)專家發(fā)現(xiàn)，當時的蘋果并沒有砸到牛頓。而且牛頓的牛頓畫像(19張)日記中回憶道，蘋果并沒有砸到他。這位當時年僅23歲的學生立刻想到，蘋果一定是被地球的引力拉下來的，此后，經(jīng)過多年努力，他終于完成了萬有引力定律的闡述、數(shù)學證明與公式推導。這個故事流傳得非常廣泛，不過，近來有一位歷史學者提出異議，他認為所說并不是事實。他的根據(jù)如下：把這個故事最早公諸于眾的是法國作家伏爾泰 （Voltaire，16941778），他對牛頓的研究成果抱有極大熱情，并曾積極予以宣傳。1726年，他前往英國，當年寫了25篇通訊，其中第15篇通訊中提到這個蘋果落地的故事。他在文章中說，這個故事是聽牛頓的侄女告訴他的。此時是1726年。其后，在1752年，有一位比牛頓小45歲的牛頓的朋友（William Stukeley），在他的回憶文章中說，牛頓去世前一年，牛頓曾講過這個故事，而牛頓是1727年去世的，就是說，牛頓在1726年自己也講過這個故事。因此，這位歷史學者指出，在同一年（1726年），如果兩個人都講過，那么，到底是誰先講的？所以，關(guān)于蘋果的故事一定是瞎編出來的。有人認為，這個蘋果的故事至少有兩點與已經(jīng)了解的歷史事實不符：第一，萬有引力不是牛頓一個人的獨立發(fā)現(xiàn)，而是歷史上若干人的研究逐步探索、積累的結(jié)果，有的書上卻把萬有引力定律以牛頓名字命名，這是不行的；另外，把牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力說成是由于受了蘋果落地啟發(fā)的自然結(jié)果，根據(jù)歷史學者的觀點，顯然是對歷史的嚴重歪曲。第二，在1665年，牛頓對天體的運動規(guī)律問題還沒有完全搞清楚，如果承認這個蘋果故事，不是等于把牛頓對萬有引力的發(fā)現(xiàn)提前了至少20年嗎？實際上，牛頓直到二十多年后才取得最終結(jié)論，并完成數(shù)學論證與公式推導。持第一個觀點的人認為，不能把萬有引力定律成果歸于牛頓名下，因為前人也付出過探索和努力。他們指出，萬有引力發(fā)現(xiàn)的實際經(jīng)過大致是這樣的：首先，開普勒（J.Kepler,15711630）最早在探索行星運動規(guī)律時，認為引力就是太陽發(fā)出的類似于磁力的流，這些磁力流沿切線方向推動著行星公轉(zhuǎn)，其強度隨離太陽的距離而減弱。開普勒還曾企圖用磁作用機制解釋橢圓軌道的產(chǎn)生。他還以月球與海水間的磁性吸引解釋潮汐現(xiàn)象。1645年，法國天文學家布里阿德（I.Bulliadus）提出一個假設：“開普勒力的減少，和離太陽的距離的平方成反比”。這是第一次提出平方反比關(guān)系的思想。1661 年，英國皇家學會成立了一個專門委員會研究重力問題。羅伯特 胡克（Robert Hooke,16351703）、克里斯托夫 雷恩（Christopher Wren,16321723）、愛德蒙 哈雷（Edmund Halley,16561742）在引力問題的研究上都曾做出過貢獻。據(jù)說早在1661年，羅伯特 胡克就覺察到，引力和地球上物體的重力應該是有著同樣的本質(zhì)。在1674年的一次演講“證明地球周年運動的嘗試”中，胡克提出，要在一致的力學原則的基礎上建立一個宇 宙學說，為此提出了以下三個假設：“第一，據(jù)我們在地球上的觀察可知，一切天體都具有傾向其中心的吸引力，它不僅吸引其本身各部分，并且還吸引其作用范圍 內(nèi)的其他天體。因此，不僅太陽和月亮對地球的形狀和運動發(fā)生影響，而且地球?qū)μ柡驮铝镣瑯右灿杏绊懀B水星、金星、火星和木星對地球的運動都有影響。第二，凡是正在作簡單直線運動的任何天體，在沒有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或復雜的曲線運動之前，它將繼續(xù)保持直線運動不變。第三，受到吸引力作用的物體，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至于此力在什么程度上依賴于距離的問題，在實驗中我還未解決。一旦知道了這一關(guān)系，天文學家就很容易解決天 體運動的規(guī)律了。”胡克首先使用了“吸引力”這個詞。他在這里提出的這三條假設，實際上已朦朧意識到有關(guān)吸引力的一些特性，只是他對引力與距離的關(guān)系還沒搞清楚，另外，只是缺乏對引力的定量表述和論證而已。1679年，胡克與牛頓之間進行了關(guān)于引力問題的交流，在1679年11月，牛頓致信胡克說：“自己關(guān)于發(fā)現(xiàn)周日運動的想象，即設想一個自由落體落到地球上，通過地面進入地球內(nèi)部，而不受任何物質(zhì)的阻礙，則該落體將沿著一條螺旋形軌道運行，在旋轉(zhuǎn)數(shù)圈后，最終旋入（或十分接近）地心?！焙嘶匦耪f，物體不會按螺線運動，而是按“一種帶橢圓狀的曲線”運動，它的軌道將“像橢圓”。1679年12月13日，牛頓寫信給胡克說：“如果假定它的重力是均勻的，物體將不按螺線下沉那個真正的中心，而是以交替升降的形式運行?！蔽覀儚暮笕饲謇砼ｎD同胡克的這些通信中看出，直至1679年，牛頓對落體引力的問題，還沒有徹底解決，他還在考慮物體的重心偏心可能會使落體在下落過程中邊旋轉(zhuǎn)邊落向地心，而胡克認為，該物體的運動軌跡應該是一個橢圓。從牛頓的角度來看，對于萬有引力問題，與距離平方成反比是沒問題了，牛頓正在考慮的是與質(zhì)量的關(guān)系、及重心的偏心是否會對萬有引力產(chǎn)生影響。還有，就是要用數(shù)學知識對萬有引力作用下天體按橢圓軌道運行作出嚴格證明，對萬有引力定律作出公式推導。胡克在信中曾向牛頓提出過這個問題，希望牛頓完成這個定律的數(shù)學證明與公式推導。因此，后來人們得出結(jié)論，一直到1685年，牛頓還沒有解決這個問題。直到1686年，牛頓才最終解決了它，并且在哈雷的催促下，把這部分數(shù)學論證的內(nèi)容一并加入自然哲學的數(shù)學原理一書。當胡克老先生看到這本書的書稿后，認為自己也應該有一分功勞，于是向年輕人牛頓提出，最好在書里把自己在這一方面的工作成績提一下。后來有人氣憤地指出，這個本來是合理的要求卻遭到了牛頓的斷然拒絕。因為牛頓曾向負責出版這本書的哈雷寫信說，他不想給胡克任何榮譽，而且稱在許多年前他就已經(jīng)知道了引力作用，以及與距離平方成反比的關(guān)系。老年時的牛頓有一段回憶說：“同年（1666年）我開始把引力與月亮軌道聯(lián)系起來，并找出了如何估計一個天體在球體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時用來趨向球面的力的方法， 最后在1676和1677年之間的冬天我發(fā)現(xiàn)了一個命題：利用與距離平方成反比的離心力，行星必然環(huán)繞力的中心沿橢圓旋轉(zhuǎn)，。” 牛頓的這段話指的是月亮軌道的推導及尋找行星繞太陽旋轉(zhuǎn)的原因。有人說，與前面他在信中與胡克討論落體問題相比較，可以看出在時間上是矛盾的：牛頓1677年研究的是月球軌道和行星軌道問題，而他1679年才研究質(zhì)量對落體的影響，因此人們說，牛頓在這里是故意把他發(fā)現(xiàn)萬有引力的時間改在1679年與胡克通信之前，而且造出蘋果神話，其目的顯然是為了要獨吞萬有引力這項成果。牛頓和胡克之間的梁子，不僅表現(xiàn)在萬有引力定律的爭議上，最早表現(xiàn)在胡克對牛頓的光的微粒說有不同的看法，因為胡克對光的本質(zhì)是站在波動說一邊的。1673年，年輕的牛頓向皇家學會遞交了他關(guān)于光的一篇論文，后來他又遞交過第二篇論文，這些論文受到老先生胡克的批評，并且說論文的一些觀點是抄襲他的。這使牛頓無比憤怒，雖經(jīng)皇家學會調(diào)解，牛頓的怒氣未消，于1675年2月向胡克寫了一封回信。信中說：“如果我比笛卡爾看得更遠，那是因為我站在巨人們的肩膀上?！痹S多人把這句話理解為牛頓的謙虛精神，而攻擊牛頓者認為，這其實是他對胡克的一種諷刺和蔑視，完全不是人們望文生義的那回事。據(jù)此，“倒牛頓者”認為：牛頓根本沒把胡克和笛卡爾看作巨人一樣尊敬，牛頓也沒有攀登他們所搭的梯子，他說自己站在比梯子更高的巨人肩膀上，顯然這句話是對胡克的人身攻擊胡克身材矮小。他們認為，牛頓的光學著作所以在1704年出版，就是因為牛頓為了等胡克去世后才敢出版他的書?！暗古ｎD者”進一步指出：牛頓獨占了萬有引力的成果后，還不足以解除對胡克的恨，當他于1703年被選為英國皇家學會的主席，就下令在皇家學會除去所有的胡克的肖像。所以當時英國許多著名的科學家中就是胡克的肖像沒有留傳下來。