天天微速讯：牛顿到底有没有被苹果砸过头？

2022-12-21 17:00:13 来源：科普中国

17世纪之前，欧洲的主流观点认为所有天体都绕着地球旋转。在哥白尼和伽利略之后，几乎所有的天文学家都被说服而改变了主意：月亮绕着地球转，行星绕着太阳转。

(相关资料图)

但是最初的问题还是没解决，地球和太阳，是谁绕着谁转呢？流行的改良版地心说认为，行星绕太阳转的同时，太阳还是绕地球。

当时的天文观测解决不了这个问题，因为运动本身是相对的。如果只考虑太阳系内部的话，不管地球绕太阳，还是太阳绕地球，在运动上都是完全等价的，只要进行一个坐标系变换就可以了。

如果考虑到整个宇宙的话，二者就存在区别了：假如地球在动，那么地球处在不同位置的时候，看到的星空应该有微小的差异，这就是所谓的“视差”。假如动的是太阳，那就没有差异。当时的天文学观测并没有发现视差，这似乎是支持太阳在动。支持地球在动的一方认为，这是因为恒星的距离非常遥远，导致视差太小，观测不到。这个说法虽然是可能的，但终究没有证据。

何况，如果恒星真的那么远，那意味着有些恒星必定非常之大，当时的估算是某些恒星的半径比地球和太阳之间的距离还大。今天我们知道这是可能的，但17世纪的天文学家就觉得这太荒谬了。

日地谁在动的这个根本分歧，靠17世纪的观察解决不了，但除了观察还有别的办法，比如说，探究一下底层机制：为什么天体之间会彼此绕着转呢？

古希腊人认为圆周运动是天体的自然规律，没有为什么。近代物理学的进展否定了这个观点，特别是牛顿提出的三定律第一条就指明，在不受外力的情况下，物体应该做匀速直线运动。换句话说，圆周运动的天体，必定是受到了某个力的作用。

是什么力呢？牛顿认为，是物体之间的万有引力。

有一个著名的故事说，牛顿年轻时因为被苹果砸了头，思考它为何落下而不是飞上天，所以发现了引力。这个故事有很多不准确的地方，比如说，它是牛顿晚年的时候才第一次讲的，史家怀疑它可能根本就没发生，只是为了争优先权；再比如说，本来的故事里牛顿只是看到了苹果落下，也不是被砸了头，苹果砸头虽不如榴莲但也是相当疼的。不过最关键的是，之前的物理学家早就试图解释过苹果为何落下了。牛顿的突破不在于思考苹果的下落，而是意识到苹果和月亮遵守同样的物理定律。

那为何月亮不会落到地球上呢？牛顿说，想象一门大炮以越来越快的速度发射炮弹，炮弹落地的距离也会越来越远。不停地远下去会发生什么呢？地球是圆的，绕圆一周的距离是有限的，所以炮弹必然会开始绕地球一圈、两圈、三圈甚至更多圈才会落下，最后变成绕地球稳定的圆周运动。可以理解为，虽然炮弹在往地球的方向掉，但是地表因为是圆的所以也在下沉，二者正好相互抵消了。

这个点子可能不是牛顿第一个想到的。当时的另一个物理学家胡克，也认为天体之间的吸引力是天体运行的动力源，两人为了优先权争吵多年。但是，胡克只能计算出圆周运动的情况，他不会算椭圆运动，而当时天文学界已经普遍接受了行星的轨道是椭圆的。是牛顿从数学上证明了，引力确实可以导致我们观测到的椭圆轨道。

一旦确定了天体运动的动力来源，日心和地心的争论就自然解决了。力的作用是相互的，太阳和地球对彼此施加的引力大小相同。但是牛顿第二定律指出，受到同样大小的力时，质量越大的，加速度越小。太阳非常巨大，所以应该在中心几乎不动。相比之下地球很小，所以应该在外围绕圈。这个论证基本上宣判了改良版地心说的死刑，而等到后来天文学进展发现了视差的存在，就彻底地给地心说盖上了棺材板。

观察是所有科学的起点，但只有观察，很多问题解决不了，必须深入到底层机制的解释，才能探明世界的本源。实际上，许多古代知识体系都积累了丰富的观察，它们和科学的差异，就在于是否能够正确地探明观察现象背后的机制。

关键词：圆周运动物理学家天文学家