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。