发明创造的故事（52）牛顿发现万有引力定律

　　牛顿发现万有引力定律
　　艾萨克牛顿
　　万有引力定律是艾萨克牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适万有引力定律表示如下：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。
　　万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。是物体（质点）间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。是牛顿在前人（开普勒、胡克、雷恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。
　　万有引力的发现过程
　　小时后，老师告诉我们，牛顿是因为有一天坐在苹果树下打瞌睡，被树上成熟的苹果掉下来打到，就让他发现了万有引力的存在。当然，这只是儿童版的童话故事。如果牛顿真那么天才，他能够看的到万有引力的存在，而我就只会把苹果捡起来吃，我想今天我是不会来教各位物理的，我也会没那个勇气来当个科学家了。因为天才身边总是会有奇迹发生。或许苹果落地事件是一个重要的刺激，可是只凭一个单一的刺激是不可能有这麼一个大的发现。
　　好了，我们该回来到成人版的故事了，到底牛顿是怎麼发现万有引力的存在呢？在谈论万有引力发现的事件时，对於当时天文学及力学的发展情形也得有一些说明，才能了解当时代科学的背景，以及它是如何影响刺激牛顿发现万有引力。
　　有关力学
　　牛顿了解伽利略早先所发展出来的惯性观念，他知道在不受外力作用的情形下，动者恒做等速度直线运动。他也知道若一个运动中物体的速率或运动方向有了变化，其中必定有力的作用。当时的牛顿，受到天文学家哥白尼提出的地球绕日的圆形轨道的影响可能正对月亮的运行轨迹不是直线、是绕著地球的圆形轨道而深感困惑。但是他已知道，由惠更斯提出一物体要作圆周运动需要施一个向中心的力量的理论。由天文看，行星绕太阳运动也应需要一向心的吸引力量，可是，这个力到底是什么？
　　有关天文学
　　西元1543年哥白尼提出天体运行论，以太阳为诸行星的运转中心和地球自转来解释星象，对人类以自我为中心的宇宙观作了一个革命性的改变。其后开普勒分别在公元1609年提出行星运行第一定律运行的轨道为椭圆，太阳位在椭圆的一焦点上及第二定律等面积定律；行星与太阳连线在相同的时间内，扫过的面积相同及公元1619年提出的第三定律周期定律；行星周期T的平方正比於轨道平均距离的立方这三个定律揭示出几个问题
　　1。轨道可以是圆的，也可以是椭圆的，什么样的作用方式，可以形成这样的轨道运行呢？
　　2。太阳处于椭圆一焦点上，显示行星是绕着太阳的，是什么力量使它们绕着太阳转呢？
　　3。由周期与轨道半径的关系（周期平方正比于轨道半径三次方），这又意味著是什么作用的方式所形的呢？
　　掉落中的月球
　　牛顿的伟大，就是看出了月亮是一直朝着地球掉落的，道理就和苹果的掉落相同。他推论月亮与苹果掉落的原因，都是由于地球重力在拉的结果。
　　牛顿又进一步发展他的想法。他比较了掉落中的苹果与掉落中的月亮，后来牛顿了解到，如果月亮没有朝着地球掉落的话，它将会做直线运动，最后则会脱离绕地轨道，所以他认为月亮正绕着地球而掉落（月球可是很认真的掉唷）。因此，月亮必定掉落在那条没受到外力时应该会走的下方。牛顿大胆地假设，月球在重力的吸引下，只是一个绕著地球转的抛体而已。至于月球的切线速度是怎么来的，可能就是在宇宙大爆炸、创世之时就决定了，而月球的切线速度大小将会决定它绕地球的轨道是圆形、椭圆形、抛物线、双曲线或是撞上地球。
　　牛顿的万有引力之简单涵义
　　牛顿并不是发现了重力，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，正比于它们的质量，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重力作用，而且遍布整个太空，正如我们所说的万有。
　　牛顿整整经过了7个春秋寒暑，到他30岁时终于把举世闻名的万有引力定律全面证明出来，奠定了理论天文学、天体力学的基础。
　　万有引力定律的发现，宣告了天上地面的万物都遵循同一规律运动，彻底否定了亚里士多德以来宗教势力宣扬的天上地下不同的思想，这是人类认识史上的一次飞跃。