万有引力定律的建立过程及意义

万有引力定律的建立过程及意义

万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。苹果的落地引起了牛顿科学的遐想，在通过大量数学计算后推导出了著名万有引力定律。

然而万有引力定律的确立，却并非牛顿一个人的功劳。在牛顿研究万有引力之前，已有不少人从事这个问题的研究，如第谷、开普勒。此外和牛顿同时代的科学家，如胡克、哈雷、惠更斯、伦恩等，对万有引力定律的建立也有贡献。正如牛顿本人所说：“我之所以有这样的成就，因为我是站在巨人们的肩膀上的。”

丹麦天文学家第谷花费多年时间进行观测行星，编制了篇幅庞大、高度精确的星表。而后德国数学家、天文学家、物理学家开普勒对第谷的星表进行整理研究，最终提出了行星运动三定律。这些对于牛顿提出万有引力定律具有至关重要的作用。此外，惠更斯的向心力公式，胡克、哈雷、伦恩重力问题的研究都给予了牛顿不少启发。

1665-1666年，因为瘟疫流行，牛顿从剑桥大学回到家乡。而看到苹果偶然落地引发了牛顿思考引力问题。之后1684年，牛顿做了《论运动》的演讲，明确叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动的平方反比关系。此后不久，又在一篇关于物体在均匀介质中的运动的论文中定义了质量概念，并探讨了引力与质量的关系。这些将牛顿引向了万有引力定律的发现。

牛顿设想了从高山上平抛一个铅球的理想实验，他认为当发射速度足够大时，铅球将可能绕地球运动而不再落回地面，指出月球也可以由于重力或者其他力的作用使其偏离直线形成围绕地球的运转。牛顿通过一个靠近地面的“小月球”的运动的思想实验，论证了“使月球保持在它轨道上的力就是我们通常称的为‘重力’的那个力。”

接着，牛顿根据向心力公式和开普勒三定律推导了平方反比关系。牛顿证明，由面积速度定律可以得出物体受中心力的作用，由轨道定律可以得出物体这个中心力是吸引力，由周期定律可以得出这个吸引力与半径的平方成反比。并且通过同磁力的类比，得出“这些指向物体的力应与这些物体的性

质和量有关”，从而把质量引进万有引力定律。同时牛顿在《自然哲学的数学原理》这部书中叙述了著名的“月——地检验”，对平方反比关系的正确性提供了一个有力的证明。

牛顿提出：行星力与在地球表面看到的地球对于物体的引力是相同的，能否用地球对月亮的吸引来验证？

而在大量计算后，牛顿证明了月球所受引力与地面上物体所受引力遵循相同规律。牛顿还把他在月球方面得到的结果推广到行星的运动上去，并进一步得出所有物体之间的引力遵循的规律都相同的结论。牛顿断言，宇宙的每一个事物都是以引力吸引别的物体，这种吸引力存在于万物之中，称万有引力。这个引力同相互吸引的物体质量乘积成正比，同他们之间距离的平方成反比。

万有引力定律表述如下：任何两物体1、2间都存在相互作用的引力，力的方向沿两物体的连线，力的大小f 与物体的质量1m 、2m 的乘积成正比，

与两者之间的距离12r 的平方成反比，即

(1)万有引力的普遍性:任何客观存在的有质量的物体之间都存在着相互吸引的力。

(2)万有引力的相互性:两个物体相互吸引的力是一对作用力和反作用力,它们大小相等,方向相反,分别作用于两个物体上。

牛顿的引力定律将物理规律用数学公式总结，统一，打开了经典力学的大门。体现了天上运动与地上运动的统一性，它把开普勒的行星运动和伽利略的落体与抛体运动统一起来，从而把天体运动纳入到根据地面上的实验得出的力学原理之中，第一次揭示了自然界中的一种基本相互作用的规律，这是历史上第一次伟大的综合，也是人类认识上一次巨大的飞跃。

另外，万有引力定律的发现，在文化发展史上也有重要的意义。在牛顿时代以前，人们认为天体的运动隐藏着不可认识的规律。而由于万有引力定律的提出，人们不再对天上的运动感到神秘，使人们建立了这样的信心：人们有能力理解天地间的各种事物。这种信心解放了人们的思想，在科学文化122m m F G r =?

发展上起到了积极的推动作用。

万有引力定律还可以计算各种物体的互相作用力大小、天体质量，对于未知天体的发现具有重要意义。当今牛顿万有引力理论的新版本—广义相对论已成为现代天体物理学和宇宙学分析问题的基础，万有引力理论的普适性超越了宇宙的边缘！就这样，从苹果到月亮，从太阳到宇宙，天上人间，凡是引力参与的一切复杂现象，无不归结到一条简洁的定律中。