牛顿到底有没有被苹果砸过头?
17世纪之前,欧洲的主流观点认为所有天体都绕着地球旋转。在哥白尼和伽利略之后,几乎所有的天文学家都被说服而改变了主意:月亮绕着地球转,行星绕着太阳转。
但是最初的问题还是没解决,地球和太阳,是谁绕着谁转呢?流行的改良版地心说认为,行星绕太阳转的同时,太阳还是绕地球。
当时的天文观测解决不了这个问题,因为运动本身是相对的。如果只考虑太阳系内部的话,不管地球绕太阳,还是太阳绕地球,在运动上都是完全等价的,只要进行一个坐标系变换就可以了。
如果考虑到整个宇宙的话,二者就存在区别了:假如地球在动,那么地球处在不同位置的时候,看到的星空应该有微小的差异,这就是所谓的"视差"。假如动的是太阳,那就没有差异。当时的天文学观测并没有发现视差,这似乎是支持太阳在动。支持地球在动的一方认为,这是因为恒星的距离非常遥远,导致视差太小,观测不到。这个说法虽然是可能的,但终究没有证据。
何况,如果恒星真的那么远,那意味着有些恒星必定非常之大,当时的估算是某些恒星的半径比地球和太阳之间的距离还大。今天我们知道这是可能的,但17世纪的天文学家就觉得这太荒谬了。
日地谁在动的这个根本分歧,靠17世纪的观察解决不了,但除了观察还有别的办法,比如说,探究一下底层机制:为什么天体之间会彼此绕着转呢?
古希腊人认为圆周运动是天体的自然规律,没有为什么。近代物理学的进展否定了这个观点,特别是牛顿提出的三定律第一条就指明,在不受外力的情况下,物体应该做匀速直线运动。换句话说,圆周运动的天体,必定是受到了某个力的作用。
是什么力呢?牛顿认为,是物体之间的万有引力。
有一个著名的故事说,牛顿年轻时因为被苹果砸了头,思考它为何落下而不是飞上天,所以发现了引力。这个故事有很多不准确的地方,比如说,它是牛顿晚年的时候才第一次讲的,史家怀疑它可能根本就没发生,只是为了争优先权;再比如说,本来的故事里牛顿只是看到了苹果落下,也不是被砸了头,苹果砸头虽不如榴莲但也是相当疼的。不过最关键的是,之前的物理学家早就试图解释过苹果为何落下了。牛顿的突破不在于思考苹果的下落,而是意识到苹果和月亮遵守同样的物理定律。
那为何月亮不会落到地球上呢?牛顿说,想象一门大炮以越来越快的速度发射炮弹,炮弹落地的距离也会越来越远。不停地远下去会发生什么呢?地球是圆的,绕圆一周的距离是有限的,所以炮弹必然会开始绕地球一圈、两圈、三圈甚至更多圈才会落下,最后变成绕地球稳定的圆周运动。可以理解为,虽然炮弹在往地球的方向掉,但是地表因为是圆的所以也在下沉,二者正好相互抵消了。
这个点子可能不是牛顿第一个想到的。当时的另一个物理学家胡克,也认为天体之间的吸引力是天体运行的动力源,两人为了优先权争吵多年。但是,胡克只能计算出圆周运动的情况,他不会算椭圆运动,而当时天文学界已经普遍接受了行星的轨道是椭圆的。是牛顿从数学上证明了,引力确实可以导致我们观测到的椭圆轨道。
一旦确定了天体运动的动力来源,日心和地心的争论就自然解决了。力的作用是相互的,太阳和地球对彼此施加的引力大小相同。但是牛顿第二定律指出,受到同样大小的力时,质量越大的,加速度越小。太阳非常巨大,所以应该在中心几乎不动。相比之下地球很小,所以应该在外围绕圈。这个论证基本上宣判了改良版地心说的死刑,而等到后来天文学进展发现了视差的存在,就彻底地给地心说盖上了棺材板。
观察是所有科学的起点,但只有观察,很多问题解决不了,必须深入到底层机制的解释,才能探明世界的本源。实际上,许多古代知识体系都积累了丰富的观察,它们和科学的差异,就在于是否能够正确地探明观察现象背后的机制。
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