資訊：牛頓到底有沒有被蘋果砸過頭？

17世紀(jì)之前，歐洲的主流觀點(diǎn)認(rèn)為所有天體都繞著地球旋轉(zhuǎn)。在哥白尼和伽利略之后，幾乎所有的天文學(xué)家都被說服而改變了主意：月亮繞著地球轉(zhuǎn)，行星繞著太陽轉(zhuǎn)。

(資料圖片僅供參考)

但是最初的問題還是沒解決，地球和太陽，是誰繞著誰轉(zhuǎn)呢？流行的改良版地心說認(rèn)為，行星繞太陽轉(zhuǎn)的同時(shí)，太陽還是繞地球。

當(dāng)時(shí)的天文觀測解決不了這個(gè)問題，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)本身是相對(duì)的。如果只考慮太陽系內(nèi)部的話，不管地球繞太陽，還是太陽繞地球，在運(yùn)動(dòng)上都是完全等價(jià)的，只要進(jìn)行一個(gè)坐標(biāo)系變換就可以了。

如果考慮到整個(gè)宇宙的話，二者就存在區(qū)別了：假如地球在動(dòng)，那么地球處在不同位置的時(shí)候，看到的星空應(yīng)該有微小的差異，這就是所謂的“視差”。假如動(dòng)的是太陽，那就沒有差異。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)觀測并沒有發(fā)現(xiàn)視差，這似乎是支持太陽在動(dòng)。支持地球在動(dòng)的一方認(rèn)為，這是因?yàn)楹阈堑木嚯x非常遙遠(yuǎn)，導(dǎo)致視差太小，觀測不到。這個(gè)說法雖然是可能的，但終究沒有證據(jù)。

何況，如果恒星真的那么遠(yuǎn)，那意味著有些恒星必定非常之大，當(dāng)時(shí)的估算是某些恒星的半徑比地球和太陽之間的距離還大。今天我們知道這是可能的，但17世紀(jì)的天文學(xué)家就覺得這太荒謬了。

日地誰在動(dòng)的這個(gè)根本分歧，靠17世紀(jì)的觀察解決不了，但除了觀察還有別的辦法，比如說，探究一下底層機(jī)制：為什么天體之間會(huì)彼此繞著轉(zhuǎn)呢？

古希臘人認(rèn)為圓周運(yùn)動(dòng)是天體的自然規(guī)律，沒有為什么。近代物理學(xué)的進(jìn)展否定了這個(gè)觀點(diǎn)，特別是牛頓提出的三定律第一條就指明，在不受外力的情況下，物體應(yīng)該做勻速直線運(yùn)動(dòng)。換句話說，圓周運(yùn)動(dòng)的天體，必定是受到了某個(gè)力的作用。

是什么力呢？牛頓認(rèn)為，是物體之間的萬有引力。

有一個(gè)著名的故事說，牛頓年輕時(shí)因?yàn)楸惶O果砸了頭，思考它為何落下而不是飛上天，所以發(fā)現(xiàn)了引力。這個(gè)故事有很多不準(zhǔn)確的地方，比如說，它是牛頓晚年的時(shí)候才第一次講的，史家懷疑它可能根本就沒發(fā)生，只是為了爭優(yōu)先權(quán)；再比如說，本來的故事里牛頓只是看到了蘋果落下，也不是被砸了頭，蘋果砸頭雖不如榴蓮但也是相當(dāng)疼的。不過最關(guān)鍵的是，之前的物理學(xué)家早就試圖解釋過蘋果為何落下了。牛頓的突破不在于思考蘋果的下落，而是意識(shí)到蘋果和月亮遵守同樣的物理定律。

那為何月亮不會(huì)落到地球上呢？牛頓說，想象一門大炮以越來越快的速度發(fā)射炮彈，炮彈落地的距離也會(huì)越來越遠(yuǎn)。不停地遠(yuǎn)下去會(huì)發(fā)生什么呢？地球是圓的，繞圓一周的距離是有限的，所以炮彈必然會(huì)開始繞地球一圈、兩圈、三圈甚至更多圈才會(huì)落下，最后變成繞地球穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)?？梢岳斫鉃椋m然炮彈在往地球的方向掉，但是地表因?yàn)槭菆A的所以也在下沉，二者正好相互抵消了。

這個(gè)點(diǎn)子可能不是牛頓第一個(gè)想到的。當(dāng)時(shí)的另一個(gè)物理學(xué)家胡克，也認(rèn)為天體之間的吸引力是天體運(yùn)行的動(dòng)力源，兩人為了優(yōu)先權(quán)爭吵多年。但是，胡克只能計(jì)算出圓周運(yùn)動(dòng)的情況，他不會(huì)算橢圓運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)時(shí)天文學(xué)界已經(jīng)普遍接受了行星的軌道是橢圓的。是牛頓從數(shù)學(xué)上證明了，引力確實(shí)可以導(dǎo)致我們觀測到的橢圓軌道。

一旦確定了天體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，日心和地心的爭論就自然解決了。力的作用是相互的，太陽和地球?qū)Ρ舜耸┘拥囊Υ笮∠嗤?。但是牛頓第二定律指出，受到同樣大小的力時(shí)，質(zhì)量越大的，加速度越小。太陽非常巨大，所以應(yīng)該在中心幾乎不動(dòng)。相比之下地球很小，所以應(yīng)該在外圍繞圈。這個(gè)論證基本上宣判了改良版地心說的死刑，而等到后來天文學(xué)進(jìn)展發(fā)現(xiàn)了視差的存在，就徹底地給地心說蓋上了棺材板。

觀察是所有科學(xué)的起點(diǎn)，但只有觀察，很多問題解決不了，必須深入到底層機(jī)制的解釋，才能探明世界的本源。實(shí)際上，許多古代知識(shí)體系都積累了豐富的觀察，它們和科學(xué)的差異，就在于是否能夠正確地探明觀察現(xiàn)象背后的機(jī)制。

標(biāo)簽： 圓周運(yùn)動(dòng) 物理學(xué)家 天文學(xué)家