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共旋引力波理论初探(第一章 对引力本质探索的历史回顾1)

伍岳明 (wuyueming001@hotmail.com) 上传2007.09 浏览269

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第一节 为牛顿运动三大定律科学大厦奠基的“巨人”们

伍岳明 曹明富合著 谨以此书献给2005——世界物理年!

第一位对牛顿运动三大定律的建立起启迪和先导作用的巨人是出生在意大利的伽利略,牛顿运动三大定律是以伽利略的研究成果为依据的,曾有人将牛顿运动三大定律比喻成:“衣服是牛顿的,身体却是伽利略的。”说明伽利略的研究对牛顿运动三大定律的建立起到多么巨大的作用。伽利略是一个有着坎坷人生的科学巨人。

由于他不迷信权威,在年轻时,就敢于“追求真理、坚持真理”,他认为:被奉为西方圣人的古希腊的亚里士多德的观点中有不少错误,便不懈地公开进行抨击,引起墨守传统的同事们的反感,认为他太爱寻衅滋事。相传,他在 1590年的一天当着许多拥护亚里士多德“重物比轻物落得快”的观点的教授们,在高约56米的比萨斜塔上进行了落地实验,结果两个重量相差很大的铁球几乎同时落地,给“重物比轻物落得快”的观点以沉重打击。但是同时落地的事实并不能改变同事的观点,反而更加充满敌意。致使伽利略于 1591年愤然辞去比萨大学教授的职务。后伽利略到帕多瓦任教,那里学术比较自由,有利于他的独立的科学研究。在帕多瓦的十八年,他天才地发明了“伽利略望远镜”,并用它观察月球,发现月球并非“完美无缺”,而是“满脸麻子的美人”;他又观测到太阳上有黑子。这类“大逆不道的观察和发现,都直接地“亵渎了神灵”,打击了教会的权威。而后伽利略又接受了哥白尼的“日心说”观点,例如,他在写给开普勒的信中说,“我为自己在寻求真理上找到一位这样伟大的志同道合者而感到幸运。……因为我许多年来已经是哥白尼理论的信徒”。信中还说:“我收集到许多证据……但不敢公开这些证据。……所以我必须把它搁置起来。”这并非伽利略胆小,因为险恶的教会到时就会教训他。事实上, 1600年,他的同胞布鲁诺为捍卫“日心说” 而惨死在教会的火刑柱上。

伽利略保持沉默,而又潜心研究,他发现木星的卫星、土星的光环。 1624—1630年间,他在乌尔班八世暗示的影响下,写出了巨著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。而后伽利略就遭到审讯和逼供,并于 1633年6月22日被判为终生监禁。监禁期间身心遭到摧残,又失去了爱女、最后双目失明,于 1642年1月8日含冤而死。直到 1979年11月10日,罗马教皇宣布当年对伽利略的审判是不公正的,判罪是错误的,要重新审理平反,……。于 1992年罗马教皇终于正式为伽利略平反。真是“科学沉冤三百年——伽利略含恨九泉”。为了人类科学事业,伽利略奉献了自己的一切,人民是永远不会忘记的。

伽利略在“对话”一书中对等速圆周运动进行动力学分析的同时,实际上提出了离心力和向心力的概念及两者大小相等、方向相反的结论,提出了地球和天体的重力具有统一性及地球运动是由太阳的引力引起的思想,和伽利略的“惯性”、“自由落体的加速度”等概念一起,对牛顿建立运动三大定律的科学大厦起了坚实的基础作用。

第二位对牛顿理论建立起启迪和先导作用的巨人是德国天文学家开普勒。开普勒也是一位有着贫困病残、遭人妒嫉,为了生计客死他乡的坎坷一生。但是他的坚定的科学信念、顽强拼搏的毅力、乐观的冲天豪情永远值得我们学习。面对众多苦难的开普勒,他没有向悲惨命运低头,而是持之以恒的进行天文的观察、进行数学计算和刻苦研究,他坚信“失败只是向新的灿烂的幻想道路上的起步”。他在写给受到迫害的伽利略的信中说:“鼓起勇气站出来……真理的力量是无敌的。”他在《宇宙的和谐》一书的序言中写道:“我沉湎在神圣的狂喜之中……我的书已经完稿。它不是会被我的同时代的人读到就是会被后人读到——这已无关紧要。它也许要等上一百年才有一个读者,上帝不是等了六千年才等到一个观测者吗?”可见其信念的坚定、冲天的豪情!正因为如此他取的巨大成功,获得“天空立法者”的美称。他的《宇宙的和谐》一书记载了他的行星运动定律。

行星运动第一定律,又称为轨道定律。其内容是:所有行星,分别在大小不同的椭圆形轨道上,围绕太阳运行,太阳位于这些椭圆的一个焦点上。第二定律,又称为面积定律。该定律指出,每一行星的矢径 (连结太阳中心与该行星中心的直线),在相等时间内扫过相等的面积。第三定律,又称为周期定律。该定律指出,行星绕太阳公转的周期 (沿它的轨道运行一周所需要的时间)的平方,与它运行轨道的椭圆形的半径的立方成正比。开普勒发现行星运动三定律,虽然仅是描述性的,仅说明了行星在怎样运动,但是《宇宙的和谐》这部巨著为牛顿创建微积分、创立牛顿运动三大定律做出不可估量的促进作用。它成为天文学和数学史上的伟大里程碑。

科学真理是越辩越明的,牛顿的引力论也是在正确与错误的斗争中不断完善的。因此、对牛顿理论建立起作用的巨人还应包括他的对手如: 笛卡尔、惠更斯等人。

在科学史上,牛顿的万有引力理论是作为笛卡儿的“旋涡”假说的对立面而出现的。 法国的笛卡尔曾提出一种“旋涡”假说来解释引力现象。笛卡尔否认真空的存在,他认为在自然界中只有通过物质的接触才能发生作用和产生运动。笛卡儿在 1644年出版的《哲学原理》中,提出,宇宙空间充满一种稀薄的不可见的流质 “以太”,各个聚集体周围的以太围绕聚集体形成大小,速度和密度不同的旋涡式运动,它产生的旋涡压力卷吸着周围的物体趋向中心物体,这就表现为引力作用。行星以其旋涡带着它周围的附属物沿着更巨大的旋涡围绕太阳旋转。在牛顿的引力说提出后的 40年间,旋涡说不仅在欧洲大陆,甚至在英国仍占据着统治地位。原因是笛卡儿的“旋涡”假说有坚实的大众基础,非数学家能理解它。人人都见过木屑在河水中打旋。人人也见过旋风卷起灰尘。行星运动类似于旋涡中的木块,这种想象令人信服。相反,牛顿的重力吸引平方反比定律是不习惯于数学思维的人所根本不懂的。

但是,笛卡儿的“旋涡”假说没有能把开普勒定律概括进去,它不能解释观测事实;无法解释与行星轨道平面以各种角度相交的彗星运动,也没有导致新事实的发现。它得出距太阳最远的行星运动最快,而事实却处于这种位置的行星运动最慢。

与旋转说相反,牛顿的引力说解释了行星运行轨道,月球和木卫、土卫等卫星运行情况,潮汐的形成原因,岁差、彗星运动等等,提出行星极轴小于赤道直径的论断。这些都得到天文观测和大地测量的证实。

牛顿还证明旋涡说与开普勒的面积定律不一致。旋涡说终于失去了统治地位,并逐步为牛顿的引力说所取代。到 18世纪中期,牛顿体系才完全占据了优势。

与笛卡儿的“旋涡”假说持相同意见的还有惠更斯,惠更斯是荷兰人。 1629年4月14日生于海牙。牛顿第三运动定律的建立有赖于碰撞问题的研究,惠更斯对完全弹性碰撞作了详尽的研究。 1673年惠更斯根据他所作的摆的实验和一般圆周运动实验,推算出了向心力定律。他在《关于运动及离心力》一文中,提出过有关圆周运动及离心力的若干重要结果,包括向心加速度概念、向心加速度公式和距离平方反比定律。牛顿也曾说过 :“惠更斯先生在他的出色著作《钟摆的振荡》中曾把重力比之于旋转体的离心力”。可见惠更斯的研究是非常有助于牛顿得出万有引力定律。惠更斯在关于引力起源的问题上曾提出过旋动说,惠更斯认为:引力不是物体本身固有的,而是物体机械运动的结果。由于惠更斯重实验验证,缺乏数学支撑,最后未能成为一家之说。

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