牛頓是如何推導萬有引力定律的?

根據一個著名的軼事，當牛頓又老又有名的時候，有人問他是如何想到萬有引力定律的，他的回答是，“通過不斷地思考它。”

事實上，這多年來非凡的智力努力的成果，源于牛頓希望用簡單的動力學原理來解釋為什么圍繞太陽運行的行星被認為遵循開普勒行星運動三定律:

橢圓定律:所有行星繞太陽的軌道都是橢圓，太陽在橢圓的一個焦點上。

面積定律:行星和太陽的連線在相等的時間間隔內掃過相等的面積。

調和定律:行星公轉周期的平方與其軌道半長軸的立方成正比。

開普勒曾在第谷·布拉赫(曾是開普勒的助手)艱苦的天文觀測基礎上制定了這三條定律。但開普勒首先必須依據尼科勞斯·哥白尼的宇宙觀，(即地球以與其他行星相同的方式圍繞太陽運行)，來重新解釋布拉赫的觀測。因此，牛頓是根據布拉赫的天文觀測工作的，是根據哥白尼的日心系統重新解釋的，并以開普勒三定律的形式總結的。

當時，牛頓并不是唯一一個急于用引力動力學理論解釋開普勒運動學定律的人。事實上,在他之前的一些人都意識到，如果地球的軌道是一個完美的圓(橢圓的兩個焦點的極限情況一致，長半軸只是圓的半徑和地球以恒定的角速度圍著地球繞)，然后開普勒第三定律可以解釋為太陽和地球之間的吸引力與它們之間的距離的平方成反比。在他的《自然哲學的數學原理》中，于1687年首次出版，牛頓提到克里斯托弗·雷恩,羅伯特?胡克和埃德蒙·哈雷獨立意識到這一點。

但相對于其他對這一問題感興趣的人，牛頓手上有幾張王牌。首先，他對如何將力學問題簡化為應用一組簡單的動力學原理有了更清晰的概念。現在我們稱這些原理為“牛頓運動定律”，盡管牛頓并不是從零開始發明它們的(他也沒有聲稱自己是這么做的)。例如，胡克彈性彈簧恢復力定律是由胡克在1660年提出的，遠早于牛頓發表他的力學一般定律。

更重要的是，牛頓在17世紀60年代發明了微積分(但沒有發表)。此外，牛頓以軌道幾何的形式構建了微積分，使他能夠用數學的方式描述受各種力定律作用的物體的運動。這使得他能夠用嚴格的數學方法證明所有的開普勒定律都遵循形式重力的平方反比定律: m1和m2分別是任意兩個物體的質量，r是它們之間的距離，G是萬有引力常數。

牛頓還比較了地球表面附近的物體(如蘋果)隨著月球繞地球運動而向下加速的速度。他能夠證明這兩種現象都可以用萬有引力定律來解釋。為了證明這一切，他必須展現(通過一個精彩的論證)一個均勻的球形物體的引力，就好像它所有的質量都集中在它的幾何中心(見殼層定理)。

1684年8月，哈雷從倫敦來到劍橋，因為他聽說牛頓(20年前曾發表過重要的光學論作和傳說中的數學天才的隱居的劍橋博士)可能會告訴他一些關于天體力學的有趣事情。哈雷問牛頓，如果一顆行星受到一個對太陽的引力，這個引力與它和太陽之間距離的平方成反比，那么它的軌道會是怎樣的。牛頓平靜地回答說，他已經證明了軌道是橢圓的。哈雷大吃一驚，要求看證據。牛頓找了有關這個問題的筆記，但沒有找到，所以他提出以后把它們轉交給哈雷。牛頓最終不得不重新推導出這個結果，當哈雷看到牛頓的證明時，他堅持要把它傳達給皇家學會。哈雷還推動牛頓寫出了物理學史上最重要的著作《原理》。由于皇家學會的資金不足，哈雷甚至最終用自己的錢支付了該書的印刷費。

來自《原理》第三卷(“世界體系”)的圖解，對應于一個思想實驗(現在稱為“牛頓的炮彈”)目的是強調地球表面附近的拋射體如何遵守與繞地球運行的物體(如月球)相同的數學定律。

在《原理》一書中，牛頓進一步表明，同樣的萬有引力定律可以解釋彗星的軌道、潮汐和地軸進動。他甚至在用太陽引力對月球的擾動來解釋月球運動的不規則性方面取得了進展。這是著名的三體難題的第一個實例，這個難題直到今天還困擾著數學家和物理學家。

牛頓還利用萬有引力定律來預測地球的形狀如何偏離完美的球形(見地球圖)。在18世紀10年代和和18世紀20年代，卡西尼，一個最初來自意大利杰出的天文學家(見喬凡尼·多梅尼科·卡西尼)誰會在法國定居,誰就控制了巴黎天文臺，聲稱已由測量而知地球是扁長的(形狀像一個橄欖球)，而不是如牛頓預測的扁圓的(兩極稍平)。法國學者援引卡西尼的測量結果，為勒奈·笛卡爾的物理系統辯護，反對牛頓主義。

1740年前后，由法國人領導的兩次測地學考察明確地證明了牛頓的預測是正確的。其中一個去了斯堪的那維亞半島北部的拉普蘭，由皮埃爾·路易斯·莫佩爾蒂帶隊。另一支前往基多(今厄瓜多爾)，當時是西班牙帝國在南美洲的一部分，由查爾斯·瑪麗·德拉孔達米納和皮埃爾·布格率領。

由莫佩爾蒂率領的探險隊在芬蘭拉普拉蘭省進行了測量，題為“在極圈測量的子午線弧圖”。

作家和哲學家伏爾泰，法國牛頓主義的早期倡導者，一直是莫佩爾蒂的朋友。當他從拉普蘭回來時，伏爾泰宣布:“他已經把地球和卡西尼群島夷為平地”。但是伏爾泰后來和莫佩爾蒂發生了爭執，并在詩中嘲笑他:

(“物理學的英雄們 新的阿爾戈英雄們

他們翻山越嶺 漂洋過海

把三頂王冠

從你們的(天文學)領域

尤其是兩個拉普蘭女人統治的氣候中帶回來

你們在那些冰凍的廢墟中證實了牛頓不離開家就知道的東西

你們已勘察過這片被夷平的土地上的一小塊永凍的邊沿”)

這很有趣，但不公平。正是莫佩爾蒂等人的努力所得到的實驗證明，使牛頓萬有引力定律成為真正的科學知識。(伏爾泰還嘲笑莫佩爾蒂據說帶走了拉普的一個情婦，這個情婦是他和另一個當地女人一起帶到巴黎的。)

事實上，與赤道探險隊相比，莫佩爾蒂的北極任務簡直是小菜一碟。赤道探險隊最終花了10年時間，面臨著各種各樣的經濟、個人、政治和實際困難。探險隊的一名成員嫁給了當地克里奧上流社會的一名女子伊莎貝爾·戈丁·德·奧多奈，但很快就與她分離，被困在法屬圭亞那。羅伯特·惠特克的《地圖制造者的妻子: 亞馬遜之愛、謀殺和生存的真實故事》(2004)講述了伊莎貝爾穿越亞馬遜與丈夫團聚的不可思議的冒險旅程，這是一個真實的冒險故事，有著迷人的歷史和科學背景。

牛頓理論的另一個驚人的證明是，1705年哈雷彗星用它來確定彗星的軌道，并在1758年預測它的回歸。事實上，這顆彗星的回歸幾乎和預測的一樣(由于木星和土星的引力干擾而產生了一點延遲)，那時牛頓和哈雷早已不在人世了。從那時起它就被稱為哈雷彗星。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. Consumer Tech- forbes-喻河

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