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牛顿引力定律最基本的要素是绝对时间和绝对空间,它们作为所有运动的“背景”
存在。
万有引力瞬时地在宇宙中任意一对有质量的物体之间传递——仅此而已。
牛顿眼里的空间和我们日常生活中体会到的空间一样,仅仅是物体存在的永恒不变的舞台。
我可以把一个物体X放在空间中的一点,然后用一把卷尺测出它和另一个物体Y之间的直线距离。
在牛顿力学中,这一过程没有任何模棱两可之处。
物体X和Y在空间中运动,但空间本身是静止的、不变的。
与之相似,牛顿的时间概念和我们与生俱来的对时间的直觉一样:一个瞬间接着另一个瞬间,不停息地向前流逝。
在一段时间内,物体可以改变它们的位置,但时间本身是普适的,对万事万物都一视同仁。
在牛顿的理论中,所有校准的时钟都以相同的方式测量时间,就像所有卷尺都以相同的方式测量两个物体之间的距离一样。
根据牛顿的理论,所有物体在没有外力作用的情况下都会以均匀的速度运动(这和亚里士多德的理解背道而驰)。
如果有外力作用在物体上,这个力的效果会使物体加速。
力越大,加速度越大;物体的质量越大,要得到相同加速度所需的力就越大。
在这一理论体系下,引力不过是外力的一种,它的效果是把有质量的物体拉到一起。
牛顿推断:两个物体之间的引力一定和它们的质量成正比,并和它们之间距离的平方成反比。
也就是说,两个有质量物体之间的引力遵从如下方程:
其中M和m分别是两个物体的质量,r是它们之间的距离。
这一简单的方程再加上牛顿运动定律,对估计大多数天体和地球上的物体的运动而言,就已经足够了。
牛顿引力导致所有物体下落的加速度相同,这解释了伽利略的实验结果。
现在将牛顿运动定律和牛顿引力结合起来考虑,就可以得出结论:加速度相同的情况下,物体质量越大,受到的引力越大。
在牛顿的理论中,质量与引力刚好在加速度计算中相互抵消了。
因此,一个物体在牛顿引力的作用下遵循牛顿运动定律运动时,它就一定会有一个和质量无关的固定的加速度。
这并不意外:自由落体的普遍性从一开始就建立于牛顿的理论体系中了。
牛顿理论的第一个巨大成功,是可以用它来推导行星运动的规律。
17世纪早期,约翰内斯·开普勒(JohannesKepler)利用当时最先进的天文数据推导出了这些经验规律。
开普勒定律表明:
·行星运动的轨迹是椭圆,太阳是该椭圆的其中一个焦点;
·时间间隔相等,行星和太阳的连线在行星绕太阳转时扫出的面积相等;
·行星绕太阳转一整圈的时间的平方,和行星轨道上最远的两点间距离(也就是椭圆的长轴)的三次方成正比。
图2 行星轨道示意图。
行星在两段相同时间内扫出的阴影部分A和B的面积相等
图2表示了上诉三个定律涉及的物理量(轨道周期除外)。
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