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第2章 “引力”的两种理论

鲁学智说道:能够解释这些“引力”现象的理论首先是由英国科学家牛顿提出的“万有引力”理论。慧日和慧月异口同声地说道:万有引力?听起来很有意思。鲁学智打开桌上放着的电脑和投影仪,将书中夹的一张光盘放入电脑光驱中,用鼠标点了几下,前方屏幕上出现了一些字幕和图片,鲁学智指着字幕和图片说道:

在300多年前,一个名为牛顿的英国科学家在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一文中首先提出了“万有引力”理论,根据这理论,宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引,物体质量越大,相互距离越近,则相互之间的吸引力越大。

“万有引力”公式:F=G0(M1M2/r2)。即:万有引力F等于引力常数G0乘以物体1的质量m1,再乘以物体2的质量m2,除以两物体之间距离r的平方。

慧日和慧月认真地听着鲁学智和光盘的介绍。鲁学智接着说道:“万有引力”理论不但可以解释星球的运动,比如月亮为什么绕地球转动,地球为什么绕太阳转动等,也可以解释地球上物体的自由下落运动。比如扔的再高的东西为什么总要落下来,水为什么总是从高往低处流,树上的果实熟了为什么总是往地上掉等现象。根据万有引力定律,科学家成功地预言并发现了海王星,还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。

这时,慧日想起静空师傅说过的话:玉皇大帝给太阳一根无影绳拴住了地球,使得地球只能绕太阳转,玉皇大帝又给地球一根无影绳拴住了月亮,使得月亮只能绕地球转。地球上的无影绳有无数根,无影绳不仅拴住了月亮,也拴住了地球上的每一个人和物。慧日想牛顿的“万有引力”理论与静空师傅的说法十分相似,无影绳就是“万有引力”。

鲁学智接着说道:科学家通过观测和计算,发现像地球一样围绕太阳转动的星球有八颗,按照离太阳的距离从近到远,它们依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。慧日问鲁学智道:这个理论确实新奇,关键词是“引力”,重点是“万有引力”定律。牛顿是怎样发现“万有引力”的呢?鲁学智点了几下桌上放着的鼠标,前方屏幕出现了一些介绍牛顿的图片,鲁学智结合图片说道:

当年,牛顿发现万有引力定律是一个漫长而曲折的过程。牛顿是一个勤奋学习、善于思考的人。1669年,他年仅27岁,就担任了剑桥大学的数学教授。另外在1672年当选为英国皇家学会会员。英国皇家学会不是一般人能进去的,那是科学研究中心,里面的都是一流的科学家。

当牛顿拥有一定的知识量后,为他首先提出“万有引力”理论奠定了基础。

牛顿在发现万有引力定律的那一段时间里,达到了废寝忘食的程度。据《物理学史》说:他每天魂不守舍,去食堂吃饭,能走错了方向。在食堂吃饭时,他总是在发呆。一些老师在校园后的沙滩上散步时,看见了牛顿在沙滩上留下的一些古怪的算式和符号。

还有一些苹果砸在牛顿头上,通过思考发现“万有引力”的故事:少年时代的牛顿就喜欢独立思考,12岁的牛顿表现了对实验和机械发明的浓厚兴趣,通过观察和思考,自己动手制作了许多有趣的玩具。苹果落地引起他的注意是偶然的。一个炎热的中午,小牛顿在他家的农场里休息,正在这时,一个熟透了的苹果落下来,这个苹果不偏不倚,正好打在牛顿头上。牛顿想:苹果为什么不向上跑而向下落呢?大凡科学家都保留一颗童心,牛顿更不例外,当他长大成了物理学家后,他联想到了少年时期发生在自己身上“苹果落地”的事,可能是地球某种力量吸引了苹果掉下来。于是,牛顿发现了万有引力。

其实,在牛顿发现万有引力之前,有很多天文学家就对宇宙进行了观察,并做了大量的工作,为牛顿发现万有引力打下了基础。比较著名的有荷兰物理学家克里斯蒂安?惠更斯,惠更斯在伽利略的匀速运动的理论的基础上总结得到了离心力和向心力理论。慧日问道:什么是离心力和向心力呢?鲁学智解释道:这两种力只有物体在做圆周运动时才会产生,比如地球围绕太阳转动时,离心力顾名思义是指远离圆心的力,向心力顾名思义是指靠近圆心的力,而且这两种力大小相等,方向相反,位于一条直线上。

经过多位科学家的努力,到开普勒时,对这些观测结果进行了分析总结,得到开普勒三定律。

开普勒(JohannesKepler,1571-1630),德国天文学家。开普勒定律是开普勒通过大量观测数据和计算总结发现的关于行星运动的定律。开普勒第一定律,也称椭圆定律;也称轨道定律:每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳运动,而太阳则处在椭圆的一个焦点中;开普勒第二定律,也称面积定律:在相等时间内,太阳和运动中的行星的连线(向量半径)所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒;开普勒第三定律,也称调和定律或周期定律:是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星,其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。

牛顿经过研究思考“为什么存在开普勒三定律”这个问题,得到的答案是,物体之间存在万有引力。

牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律,而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外,还受到太阳的引力,从而解释了月球运动中早已发现的二均差等现象。

慧日说道:从刚才您的介绍,看到“万有引力”理论确实是一个了不起的理论。从介绍的公式看到,“万有引力”必须是有一定距离的两个物体的质量才能成立。问题是,如果只有一个物体,那么在这个物体的周围还会有引力存在吗?虽然“万有引力”公式没有表达出来,但据我的想象,引力应该存在。慧月补充道:我想,应该在这个物体的周围有引力场存在。鲁学智赞许地说道:你们能够想到物体的周围有引力场,说明你们是动了脑筋了。很好。

鲁学智接着说道:下面我再给你们介绍一下关于“引力”的另外一个理论。鲁学智点了几下桌上放着的鼠标,前方屏幕出现了一些介绍的爱因斯坦图片,并出现了解说的声音:

阿尔伯特?爱因斯坦(1879.3.14-1955.4.18)犹太裔物理学家。他于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭,1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,获苏黎世大学哲学博士学位,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖,同年,创立狭义相对论,爱因斯坦在其狭义相对论中提出了著名的质能方程——E=MC?(物质所含的能量等于其质量与其以光速运动时速度平方的乘积),该方程阐明了能量守恒定律的实质,使人类对大自然的认识又深了一步。1915年11月,36岁的爱因斯坦提出了《广义相对论》引力方程的完整形式,并且成功地解释了水星近日点运动。鲁学智按了一下暂停键,插话说道:在“广义相对论”这个理论中,爱因斯坦把引力描述为大质量的物体造成了它周围的空间“弯曲”。这一现象,可以用一个我们日常熟悉的事例,来形象的表现大质量的物体怎样造成了它周围的空间“弯曲”的现象。现在,我们一起做一个简单的试验。

鲁学智走的一张桌旁,弯腰伸手从桌下拿出一块布,递给慧日和慧月,并说道:你们展开这块布,每人拉住两个角,并把它绷展。慧日和慧月照着鲁学智的吩咐把这块布绷得很展。鲁学智又拿出了一大一小两个球,鲁学智先把大球放在布上,大球缓缓向布的中央滚去,然后大球在布的中央停止不动了,布被这大球的重量压的弯曲,布的中间成了一个圆凹面,像一个中央放着一个球的大碗。鲁学智把小球轻轻放入布的边缘,小球顺着布的斜面径直滚下去,与大球碰到了一起。鲁学智说道,我们再做一个实验。鲁学智伸手把小球拿出,然后把小球向布的侧边一侧用力丢去,小球沿着布的一侧弯曲的凹面滚下去,绕过大球,从布的另一侧绕了回来,沿着一个椭圆的路线滚动。绕行的弧度越来越小,最后与大球碰到了一起。鲁学智解释道:小球与布之间有摩擦力,所以小球绕行的弧度会越来越小。如果,它们之间没有摩擦力,那么小球会沿着固定的轨道永远不停地转动下去。

鲁学智继续说道:可以想象,大球越重,圆凹面就越深。而爱因斯坦的引力理论认为物体的质量越大造成它周围的空间产生“弯曲”的程度也越大。上面这个实验就比较形象地解释了大质量的物体是怎样造成了它周围的空间“弯曲”并产生引力现象的。爱因斯坦认为地球等行星绕太阳转动,就是因为太阳的大质量造成了它周围的空间“弯曲”,行星沿着这弯曲的空间运动的结果。

慧日和慧月被这试验所吸引,目不转睛地看着,认认真真地听着。慧日说道:爱因斯坦的这一引力理论说明就是物体的周围应该有一个应力场存在,与我们的猜测较吻合。

鲁学智说道:你们还年轻,喜欢学习和思考,下面我给你们介绍几个爱因斯坦如何成长,最终成为伟大的科学家的故事,希望对你们能够有所帮助:

爱因斯坦并非一生下来就是天才,相反,他小的时候,智力发育比一般孩子发育都慢,只是由于无限的勤奋和对物理学的执着热爱,才把他造就成一位科学天才。

爱因斯坦于1879年生于一个犹太商人家里,父母都希望他将来有所作为,但是渐渐地他们发现孩子智力发育很慢,不象一般孩子那么机灵聪敏,到了三岁才开口说话。到了四五岁,爱因斯坦经常一个人对某一物体发呆,而且总是远离嘻笑玩耍的孩子,象生怕别人打扰一样,因此,他显得很孤僻。五岁时,父亲拿一只小罗盘给他玩,爱因斯坦捧着罗盘,见里面的指针转来转去,最后指向北方不动了,他用手指把指针拨动转了一圈又转一圈,但不管怎么转,那根针最终指着北方。他奇怪了,默默地想:针四周什么都没有,是什么神奇的力量把针吸住了呢?他一直站在那里思索,直到母亲喊他吃饭。

秋天,爱因斯坦一家去郊游,当走进一片茂密的树林时,他却不见了。他一个人在林间穿行,一会儿摘下一片树叶,细心观察树叶的脉纹,一会儿观看阳光从树叶间透出的光斑。母亲到处喊他,找他,一直没有他的踪影。他到了湖边,就蹲下身来,一动也不动地望着湖面上起伏的波。当母亲好不容易找到他时,他正坐在地上,凝望着一队队忙忙碌碌来回穿梭的蚂蚁。他的妈妈问道:“你干吗不答应妈妈,让妈妈来回的找。”小爱因斯坦说道“妈妈,我没有听见。”,

为了给这位孤僻的孩子的生活带来一点乐趣,从六岁开始,妈妈开始教他拉小提琴,他对这个乐器发出的声音如对大自然斑澜的色彩一样,十分敏感,他学得专心致志。从此小提琴成了他漫长生命旅程上不可缺少的伙伴。每当工作疲倦时,他便拉起小提琴,使内心保持和谐与平静。

读小学时,由于他性格孤僻,同学们都歧视他,老师也不喜欢他,老师向他提问题时,他好像听不见一样,总是默默地去思考自己的问题。实际上,小爱因斯坦不习惯学校那套死记硬背的教学方法,他有自己独特的独立思考的特点,在这种死板的学校环境中感受不到追求知识的快乐。爱因斯坦总希望早点放学回家去,在家里,他就可以在理想和希望的大海里遨游。对教育规范的不适应,使爱因斯坦曾经连续多次考试不及格。

爱因斯坦有个叔叔,名叫雅各布,雅各布叔叔很善于饶有趣味地讲解方程式,他给爱因斯坦讲解知识生动有趣,爱因斯坦很喜欢。这天,雅各布叔叔给爱因斯坦讲代数课,雅各布叔叔说:“代数嘛,就象打猎一样,那头藏在树林里的野兽,你把它叫做x,然后一步一步逼近它,直到把它逮住!”通过雅各布叔叔生动形象地讲述,代数的真谛便深深印在爱因斯坦的脑海中。

几何也是雅各布叔叔给他启蒙的。雅各布叔叔在纸上画了一个直角三角形,标上A、B、C,写上公式,然后对爱因斯坦说:“这就是大名鼎鼎的毕达哥拉斯定理,两千多年前的人就会证明了。孩子,你也来证证看。”12岁的爱因斯坦,根本不懂什么叫几何,但是他被这个定理迷住了。他连着三个星期,坐在自己的小书桌前苦苦思索,最后,居然给证明出来了。

毕达哥拉斯定理我们称为勾股定理:一个直角三角形的两条直边的平方的和等于斜边的平方。

少年时候的爱因斯坦十分贪玩,一直到16岁的那年秋天。一天上午,父亲将正要去河边钓鱼的爱因斯坦拦住,并给他讲了一个故事,正是这个故事改变了爱因斯坦的一生:“昨天,我和咱们的邻居杰克大叔清扫南边工厂的一个大烟囱。那烟囱只有踩着里边的钢筋踏梯才能上去。你杰克大叔在前面,我在后面。我们抓着扶手,一阶一阶地终于爬上去了。下来时,你杰克大叔依旧走在前面,我还是跟在他的后面。后来,钻出烟囱,我发现一个奇怪的事情:你杰克大叔的后背、脸上全都被烟囱里的烟灰蹭黑了,而我身上竟连一点烟灰也没有。”爱因斯坦的父亲继续微笑着说:“我看见你杰克大叔的模样,心想我肯定和他一样,脸脏得像个小丑,于是我就到附近的小河里去洗了又洗。而你杰克大叔呢,他看见我钻出烟囱时干干净净的,就以为他也和我一样干净呢,于是就只草草洗了洗手就大模大样上街了。结果,街上的人都笑痛了肚子,还以为你杰克大叔是个疯子呢。”爱因斯坦听罢,忍不住和父亲一起大笑起来。父亲笑完了,郑重地对他说,“其实,别人谁也不能做你的镜子,只有自己才是自己的镜子。拿别人做镜子,白痴或许会把自己照成天才的。”爱因斯坦听了,顿时满脸愧色。爱因斯坦从此离开了那群顽皮的孩子们。他时时用自己做镜子来审视和映照自己,终于映照出生命中的熠熠光辉。盲目地与别人相比较,以为自己比身边的人聪明就满足了,或者觉得自己不如别人就沮丧了。这是多么愚蠢啊!每一个人都有其不同的人生目标和生活方式,自己才是自己在这个世界上最可靠的人生向导。

爱因斯坦的不凡成长经历,最终造就了这位伟大的科学家。

有个小孩,从小幻想将来自己成为一名大科学家,然而,他学习读书极不认真,非常贪玩,而且爱说大话,空话。他对爱因斯坦极为羡慕,于是就整天缠着爱因斯坦,让爱因斯坦无论如何告诉自己成功的秘密是什么,爱因斯坦同意了,给他写下了一个公式:A=X+Y+Z。并告诉他,A代表成功,X代表艰苦的努力,Y代表正确的方法,Z代表少说空话。小孩终于明白爱因斯坦成功的秘诀,也明白了自己的缺点,一改过去的坏习惯,发奋用功,学业大进。

爱因斯坦成名后,经常进行演讲。有一次,爱因斯坦在一所大学演讲,有位同学问爱因斯坦,你被誉为科学界的巨人,你认为自己是巨人吗?爱因斯坦微笑着说,巨人并不是长的高大的人,大家看我如此瘦小,怎么能有巨人的形象呢。也许我看的远一些,那也只是因为我站的高一些而已,另一位同学接着问,您提到比别人站的高一些,我想起不久前您再阿尔卑斯山的高峰之巅曾经与一位女士长谈过。我不想问你谈话的内容,只想知道您站在山顶的那一刻,您有没有意识到自己在科学史上也已成为一座山峰了呢?爱因斯坦看了看发问的人,说道,你看我像一座山峰吗?我这个人无论怎么站都成不了山峰。而且,没有一座山峰不是被人征服的。我们不要做山峰,而要做登上山顶的人。最后,我可以告诉大家一句话,这句话也是我在阿尔卑斯山的山顶之上,对那位女士讲的一句话:任何一座高峰都是可以征服的,世界上从无巨人,只有站的更高的人。

慧日想着并在心中默默重复着这句话:世界上从无巨人,只有站的更高的人。

鲁学智看着慧日和慧月,加重语气说道:故事讲完了,下面回到正题。你们注意,下面是有趣的结论:爱因斯坦在“广义相对论”中,提出的引力的“工作”方式是“空间弯曲”,虽然与牛顿提出的万有引力理论的“工作”方式是“物体间相互吸引”有所不同,但产生“空间弯曲”的源与产生“物体间相互吸引”的源是一致的,那就是物体的质量。这一观点,已经被科学界广泛接受和认可。

慧日和慧月在脑海中牢牢记住了这个结论:物体的质量是产生引力的根源。慧日说道:我认为,这两个引力理论还有一个共同点,就是,如果从引力场的角度看,无论是“空间弯曲”也好,还是“互相吸引”也好,都必须存在一个围绕这物体的引力场。

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