万有引力与300多年前的一次吹牛 | 王木头讲科学

昵称40471325 2017-05-04

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今天是王木头讲科学的第二期节目。

来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子讲有趣的科学。

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万有引力与300年前的一次吹牛

来自把科学带回家

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考虑到有些低年级同学还不理解分数，所以在讲到缩小多少的时候，没有使用“缩小到几分之几”这样严谨表达，而是使用了缩小多少倍。

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因为300多年前在咖啡馆里的一次吹牛，“宅男”牛顿早就发现的万有引力定律才没有被埋没。也正是这样才奠定了牛顿在物理学中的大师地位。

同学们家长们大家好，我们继续来讲相对论了。我们在上次内容里面见识到了黑洞的强大引力。黑洞，为什么可以把所有东西吸进去，为什么重力越大时间越慢。这些全部都可以用爱因斯坦的相对论来解释。

爱因斯坦是上个世纪的科学家，但是我们这个故事却要从300多年前说起。

在那个时候，咖啡刚刚在英国开始流行起来，不过在当时的伦敦已经可以到处看到咖啡馆了。其中的一个咖啡馆里面，人声嘈杂，在角落围坐的三个人，好像还在谈论着什么。如果你当时在现场的话，是不会觉得他们有什么特别的。但是我们现在却知道，正是他们的这一次谈话改变了整个世界。

这三个人都是当时有名的数学家和科学家，分别是：克里斯托弗·雷恩、罗伯特·胡克以及艾德蒙·哈雷。他们当时在讨论的是有关天文学的知识。在当时，科学家们已经普遍接受了地球是绕着太阳转的日心说。而且更早期的天文学家开普勒通过天文观测数据得出了更精确的结论。地球和其他的行星的确是在绕太阳旋转的，不过他们的轨道并不是一个标准的圆形，而是椭圆形。

这就是说，地球绕着太阳旋转会忽远忽近，而且地球运行的速度还会有变化，距离太阳越远越慢，越近越快。这个时候的科学家已经隐约明白了，其实是太阳在吸引着地球旋转，这个吸引力也会随着地球距离的远近大小不同。

但是当时没有科学家能真的搞明白这个吸引力到底是什么，它的大小会如何发生变化。咖啡馆里的这3位科学家就认为吸引力的大小，和距离的长度有关，而且还是和这个长度的平方成反比。反比就是在其他条件不变的情况下一个增大，另一个减少。如果距离变大那么吸引力变小，反过来吸引力变大那么距离就变小。这个里面的平方呢，就是一个数自己再乘以自己。

举个例子，就是说本来地球和太阳之间的距离是1，它们之间的吸引力是16。假如地球和太阳之间的距离变大了，变成了2，也就是原来的2倍。距离变大了，吸引力就要减少。减少多少呢？可不是减少2倍，而是减少2倍乘以2倍的大小，也就是4倍。这样子吸引力变成了16?4=4。就是说距离从1变成了2，吸引力就会从16变成4，缩小4倍。

吸引力的大小为什么会和距离的平方成反比，为什么地球在这样的吸引力下又会绕着太阳旋转，还没有人能给出准确地证明。胡克是一向爱说大话的，他当时就说自己已经搞明白了，而且还写出了证明。只不过他不想马上公布答案，这样才能让其他人也去证明，最后证不出来，到时候自己公布答案才能体现出自己的价值。一旁的雷恩是数学家，他是不相信胡克的，就拿出40先令来打赌，如果胡克果然证明了的话，这就归他了。当时的40先令差不多值我们现在3000多块钱。

雷恩和胡克打赌我们放在一边不说，这一段争论可就激起了另一个人——哈雷的好奇心。没错，就是用来命名哈雷彗星的那个哈雷。哈雷也不太相信胡克已经证明出来了这个问题，所以后来他才会就去求教当时在剑桥的数学大牛——牛顿。而正是他这一个行为，改变了未来几百年的历史进程。

哈雷来到了牛顿的家里，并且把这个引力的大小和距离的问题向牛顿询问了。结果没有想到，牛顿竟然说他早已经证明了，这个平方反比的方式的确可以让地球绕着太阳进行椭圆运动。哈雷大吃一惊，让牛顿提供证明的过程。牛顿给出了理由，说自己当时证明只是一时好奇，现在证明的过程不知道扔到哪里了，说晚些时候再给哈雷看。牛顿可不是说大话，他的确已经计算过了，只不过他自己比较谨慎，希望在把证明过程拿出来之前再检查一下，看看会不会有什么错误。果然还真让他找到了一个错误的地方。

最后，他把证明结果拿给了哈雷看。哈雷看了之后知道这个证明果然是正确的，所以就鼓励牛顿把这个写成一本书，还自己掏腰包帮他把书出版了。当然，哈雷也是最早一批理解牛顿理论的人，还利用牛顿的理论重新发现了哈雷彗星。