万有引力的发现过程及其地位作用

杨正美

引言

万有引力（称为引力、重力）是任何有质量的物体之间的一种吸引力。两个物体之间引力大小与两个物体质量的乘积成正比，与两个物体的距离平方成反比。万有引力作用方向在两个物体质心的连线上。也就是说，两个质点之间的万有引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，方向在它们的连线上。

1 牛顿是如何发现万有引力的

物理学形成一门独立的学科，并且成为整个自然科学的基础，是从经典力学开始的。在此之前，人类的文明史中虽有不少有关物理的、有价值的创造和发现，但没有形成完整的理论体系，也就是说，还没有构成独立的物理学。16世纪以后，由于航海、战争和工业生产的需要，力学的研究得到了迅速的发展。航海事业促进了天文观测，天体运行的大量精确的数据资料为揭示行星运动的规律奠定了基础。17世纪，牛顿总结了以开普勒、伽利略为代表的许多物理学家的研究成果，建立了牛顿运动定律和万有引力定律，标志着经典力学的诞生。牛顿建立的力学体系经过伯努利﹑朗日、达朗贝尔等人的推广和完善，形成了系统的理论，得到了广泛的应用并进一步发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支，使经典力学成为自然科学中的主导和领先学科，由此我们可以看出，有关引力问题的研究是物理学发展的一块重要的基石。

万有引力的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律，使人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

两个通常物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它，可以不予考虑。比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米间的万有引力还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！但是，天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。在天体中质量还算很小的地球，对其他的物体的万有引力已经具有巨大的影响，它把人类、大气和所有地面物体束缚在地球上，它使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。

重力，就是由于地面附近的物体受到地球的万有引力而产生的。但是需要注意的是，因为地球在自转，除了在南极北极端点，在地球上任意一点的物体，其重力并不等于万有引力。此时可看作绕地球的向心力和重力合成万有引力。由于绕地球自转的向心力远小于重力，故一般就认为重力就略等于万有引力了，其实重力是略小于万有引力的，只有在南北极物体绕地球自转的向心力为零时，重力才等于万有引力。

现在我认为，物质之间可以相互发出有引力线。引力线也是质量存在的一种形式。引力场或引力线也有质量。引力场有一定强度，有的大、有的小。我们似乎可以计算引力场的质量大小。基本可以这样认为，空间引力场质量的大小，在引力场强度一定时，与空间体积的大小成正比。与引力场的强度成正比，应该是这样吧？是不是这样无所谓，不涉及这个问题。暂时只研究，空间引力场质量的大小，在引力场强度一定时，与空间体积的大小成正比。

一定质量的物质，发出的引力线或引力场的状况如何呢？是不是，引力线或引力场，从这个物质出发而终止于其它所有物质。或者说，引力线或引力场，从这个物质出发而不考虑其它的任何物质，只是向前发出，永无止境呢？这是两种不同的情况。

如果是永无止境的向前运动，只是碰到物质时，便有作用力，既引力。如果是这样的，万有引力效果，与我们现在所感觉的一样，没有什么差别。既，与引力线或引力场从物质出发，而终止于其它所有物质的万有引力效果，与不这样假设是一样的。

2 爱因斯坦如何用相对论解释万有引力

狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。

改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。

根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的隋况下，就有区别。不过这种区别常常很小，难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在，还只有四种实验能检验出这种区别。广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。广义相对论作为新的引力理论得到了实践的支持。爱因斯坦本人首先用它解释了用牛顿引力理论不能完全解释的水星轨道近日点进动问题。接着，他计算了太阳引力场对星光的弯曲，所得结果比牛顿引力理论的相应结果大一倍，但与后来天文观测的结果很接近。爱因斯坦在创建了现代引力理论后，又据此提出了新的宇宙模型，这标志着相对论宇宙学的诞生，也是现代宇宙學研究的开始。20世纪60年代，随着中子星的发现、3K宇宙背景辐射的确认等一系列科学上的重大进展，现代引力理论及在此基础上建立起来的大爆炸宇宙模型得到了普遍的接受。纵观物理学发展的历史，可以看出，从牛顿万有引力定律，到爱因斯坦广义相对论，有关引力的理论，形成了物理学中理论发展的一条鲜明的主线。它既是一个古老的课题，又是最现代前沿的领域；既是物理理论最早建立的基础，又是当今理论研究方兴未艾的焦点之一。除了在理论上的重要地位以外，在实践中，万有引力也有广泛的应用。可以说，一切发生在地球上的自然现象和人类所进行的各种生产活动，无一不与万有引力有关。特别是人造卫星的发射和利用，涉及到现代工农业生产、科学研究、交通运输、军事侦察、无线电通讯，甚至深入到文化传播、政治宣传等上层建筑和人类生活的方方面面。从天文授时到大地测量，从重力探矿、资源普查到气象和潮汐预报，从宇宙探索、航天技术到电视转播、全球移动电话，其应用之广，不胜枚举。万有引力在物理学中所占的重要地位，由此可见一斑。