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我们知道宇宙并不存在一个中心,好让物体落向那里。
我们还可以通过实验证明物体在引力作用下的加速度并不与它们的质量成正比,而是无论物体质量如何都保持不变。
这一发现是理解引力过程中的里程碑之一,因此我们也需要对它作更多说明。
所有物体在引力作用下的加速度都相等,这一事实并不直观。
当我左手拿着一片羽毛,右手拿着铁块并同时松手,我不会期待它们同时着地:铁块应该先落地。
那么“所有物体在引力作用下加速度都相等”
是什么意思呢?为了理解这句话,我们需要考虑施加在这两个物体上所有的力。
当我松开羽毛时,除了引力之外,它还受到其他的力。
当它开始下落,会受到周围空气产生的阻力。
由于铁更重,空气阻力对羽毛的减速效果就比铁要强。
一点小风对羽毛也会有很大的影响,而对铁块的干扰微乎其微。
因此,上述理论并不适用于我们周围的环境。
实际上,它描述的是物体在只受引力作用的情况下会发生什么。
也就是说,如果除了引力外没有其他任何作用力,物体就会以相同的加速度下落。
对这一命题的验证通常归功于伽利略(Galileo)。
传说1638年[1],他将两个不同质量的炮弹从比萨斜塔上扔下,人们发现,无论这两个炮弹成分如何,它们都以相同的速度落地[2]。
最近,阿波罗宇航员大卫·斯科特(DavidScott)得出相同的结论。
他站在月亮上,让一片羽毛和一把锤子同时落下,因为月亮上没有空气阻碍羽毛的运动,所以两个物体同时落在了月面上(见图1)。
今天,我们把这一现象称为“自由落体的普遍性”
(UyofFreeFall)。
接下来,我们将看到,它既是牛顿引力理论,又是爱因斯坦引力理论的关键。
图1 (a)伽利略从比萨斜塔扔下炮弹;(b)斯科特在月上同时松手让锤子和羽毛落下的画面
牛顿的引力理论
艾伊萨克·牛顿爵士(SirIsaa)的引力与运动的理论,最初于1687年集结成《自然哲学的数学原理》(PrincipiaMathematica)书发表,它永久地改变了世界。
这是关于引力的第一个真正的科学理论。
和亚里士多德不同,牛顿并未尝试解释引力,他量化了引力的效应。
由此,物体在地球上的运动、地球本身的运动和太阳系其他天体的运动的物理定律,都被推导出来了。
毫无疑问,牛顿理论是天才的成就,他开创了新的数学分支,并史无前例地提出:适用于人类、地球和天体的物理定律,都是相同的。
亚里士多德曾试图解释的复杂运动都被归结于简单的定律。
牛顿引力理论是辉煌的,在它被提出的两百年内,没有与之匹敌的理论。
只通过一本《原理》,牛顿就在科学、工业和战争的世界里掀起了革命。
此外,直到今日,他仍给我们的很多研究工作提供了框架。
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