万有引力定律的发现过程:牛顿的“大炮”

1590年,意大利天文学家、近代物理学的鼻祖伽利略发现了自由落体定律。十几年后,德国天文学家开普勒经过辛勤的整理和计算,归纳出了行星绕太阳运行的三条基本规律——开普勒三定律。后来,英国大科学家牛顿综合了前辈们的天文学、物理学和力学成就,通过严密的数学推导,把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,论证出了万有引力定律

万有引力定律的发现过程:牛顿的“大炮”插图

万有引力定律使人们认识到:由于人与地球的质量相差太悬殊,所以人总是被地球巨大的引力束缚而不能离开地面。接着,牛顿在1687年完成的《自然哲学的数学原理》一书中指出:如果一个抛物体不受地球引力的作用,就会沿着一个方向向太空深处飘游,浪迹天涯,永远不会回到地球。为此牛顿曾设想制造一座高射大炮,架在高山之上,炮弹平射出去,在获得足够大的速度之后,距地面越来越远,而受到的地球引力也就越来越小,以至能飞到足够远的地方环绕地球飞行而不致掉下来;如果速度再大,甚至会飞离地球轨道而进入宇宙空间漫游。但牛顿设想的高射大炮并没有制造出来,后来的一系列发现也证明这种高射大炮不可能被造出来。

随着人类向宇宙深处探索的延伸,现在问题已经明朗了,要离开地面,就要克服地球引力。如何才能克服地球引力呢?克服引力究竟需要多大的能量?飞行器在突破引力束缚时所需要的最低速度是多少?

根据牛顿提出的理论,人们很快找到了答案。经计算,如果一个物体达到7.9公里/秒的速度,就能使地球对它的吸引力,即物体的向心力与它的离心力保持平衡,物体便可不再坠落到地面,而是环绕地球运行,并与到地面的距离始终保持不变,这个物体就成为地球的一个卫星,环绕地球飞行。这个速度被叫作“第一宇宙速度”,或称“环绕速度”。人类要实现航天的愿望,首先要突破“第一宇宙速度”,这是摆脱地球束缚的第一步。如果按照牛顿的设想,要使炮弹达到7.9公里/秒的速度,炮身需要1公里长,很显然这是无法办到的事情。

如果物体运行的速度再提高,那么它离地球中心的距离就会越来越远,同时飞行速度逐渐减小,飞行轨道变成一个椭圆形;并随着速度的增加,飞行曲线越来越平滑。当速度大到11.2公里/秒时,则椭圆形的曲线就会裂口,地球引力就再也不能对这个物体起作用了。于是,它就会飞离地球,成为太阳系中的一颗行星。这个速度被叫作“第二宇宙速度”,或称“逃逸速度”“脱离速度”。

当这个物体的速度再增加到16.7公里/秒时,太阳的引力就会显得无能为力,也管束不了它,只好让其飞出太阳系,到更加广阔的宇宙空间任意遨游了。这个速度被称为“第三宇宙速度”,目前只有火箭才能突破该宇宙速度。

地球上发射的物体达到什么速度才可以摆脱银河系引力的束缚,飞出银河系呢?由于人们尚未确切知道银河系的准确大小与质量,因此只能粗略估算,需要达到110—120公里/秒,目前还没有航天器能够达到这个速度。知识链接

牛顿除了在力学方面的成就外,在其他学科也有突出贡献。在数学方面,牛顿与莱布尼茨独立发展出了微积分学,并为之创造了各自独特的符号;在光学方面,他发现白光是由不同颜色的光混合而成的,创立了光的“微粒说”,从侧面反映光的运动性质;在热学方面,牛顿确定了冷却定律;在天文学方面,他创制了反射望远镜。如此众多的成就,称他为百科全书式的“全才”,实至名归。

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