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聊聊狭义相对论-第3章

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笛卡儿第一次较为完整地描述了惯性定律,在物理学史上留下了芳名,让后世瞻仰! 
    同一时期,荷兰物理学家惠更斯、英国物理学家胡克等人也进一步完善了完全碰撞、行星运动等等问题,使得物理学马不停蹄地奔向前方,即将迎来它第一次的空前大统一,绽放出绚丽多彩的光辉,谱写人类历史上壮丽的篇章! 
    好,大家都累了,请放下包袱,瞧,路边有一棵苹果树,我们到那树下去休息一会儿,后面的旅途将会更加刺激。 
    …… 

这是一棵苹果树,一棵特殊的苹果树。 
    这是1642年的圣诞节,一个特别的圣诞节。 
   (事实上,按照现代的日历,这一天应该是1643年1月4日,但是由于宗教的原因,当时英国依旧使用过去的历法,致使我们这一位伟人的诞生日受到了影响。不过,我们沿用旧历法。尊重伟人的时代,至少是我们对伟人的一点点致敬!) 
    一个小男婴在英国的一个名叫伍尔索普的小镇早产,当时,谁也不会想到,若干年后,竟有一个苹果砸在他的头上,使他发现了一些“酷酷”的东西。这位小男婴后来后来取了一个注定要震动世界、蜚声历史的名字——Issac Newton,艾萨克·牛顿。他就是我们这一章的主角。 
    小牛顿出生三个月之前,父亲就已经去世,其时他的生身父母结婚不过半年多。随后的母亲改嫁,小牛顿一直跟着外祖母长大。直到12岁那年,继父去世,小牛顿才回到母亲身边,却惊奇地发现自己多了三个弟妹。(诸位,见到了没有,逆境出人才呀!) 
    这一切不幸遭遇,给牛顿终身带来了极大的影响,使得他沉默寡言,性格怪癖,不讨人喜欢。 
    如果说小牛顿要填写作业本的话,那么封面大致该是这样:学校:外祖母小学;班别:一(1)班;姓名:艾萨克·牛顿。小牛顿的小学班主任是外祖母,毕业后,以全校第一名的“优异”成绩进入了格兰萨姆文科中学就读。 
    在这期间,他寄宿在一位药剂师的家里,不过牛顿并不因此而成为了一位郎中,而是从中阅读了很多书籍,并且“上”了挺多的物理、化学实验课。 
    但是,牛顿在学校里表现平平,甚至一度是班里的倒数第二,可以说,他更多的时间是花在了课外书籍和实验上。然而,一次他与一个欺负他的“小混混”干过一架之后,爆发了强烈的上进心,从此成绩一跃前茅(据说那个瘪三的实力比牛顿要强,但牛顿却赢了决斗,牛顿,牛!天才,牛!)。之后以优异成绩被荐入剑桥大学三一学院,开启了天才的世纪。 
    是的,历经千锤百炼,火凤凰终于要浴火而出! 
    去吧,牛顿!这是一个属于你的世纪,一个属于你的时代! 
    你将改变整个世界,改变整个科学史,改变整个人类历史! 


1665到1666年间,剑桥发生了一场大瘟疫,学校被迫停课。牛顿也因此回到外祖母的小村庄那里。事实证明,在某种程度上,我们应该感谢那一场灾难,正是在这18个月里,牛顿在闲适的生活中度过了他一生中最具创造力的时间,创造了一个奇迹年。 
    牛顿先后主动出击,将万有引力定律、光的色散现象收入囊中,并把微积分的发明权挂到自己的名下,我们来看一下: 
    1665年初,发现逼近级数法; 
    1665年5月,发现切线方法; 
    1665年11月,得到直接流数法; 
    1666年1月,提出颜色理论; 
    1666年5月,反流数方法; 
    1666年,万有引力定律初步形成; 
    …… 
    伟大的天才,伟大的发现! 
    致敬! 

     
    在这里,我们要说的是万有引力,也就是那个“酷酷”的东西。 
苹果的故事现在几乎可以认为是假的,但是,无可否认,它给我们带来极大的神往和鼓舞,激励着一代又一代的朋友勇往直前。历史固然重要,但是,我们一样需要科学的鼓舞和神圣。我们姑且抛开其真伪,一起来回味一下。 
    话说一日,牛顿坐于苹果树下,苦苦思索一些物体运动的问题。突然,一个熟透了的苹果从树上掉了下来,不偏不倚正好砸在牛顿的头上,这一砸可不得了!砸他个灵光顿闪:为什么苹果会掉下来,而不是飞天上去呢? 
    为什么月亮不会像苹果那样掉下来呢? 
    要是树长到月亮那么高,苹果还会掉回来吗? 
    苹果跟月亮背后有什么联系吗? 
    或更甚一步,地上的物体跟天上的物体背后有什么联系吗? 
    …… 
    (天才就是与众不同,换成是我——哪个兔崽子砸老子!……不过说真的,跟大家一个样,就不叫天才了,不是吗?成为天才的首要条件——与众不同!) 
    这是一个阳光明媚的下午,在苹果树下,牛顿豁然开朗。“我开始想到引力延伸到月球轨道,并且由开普勒定律、行星运动周期倍半正比于它们到轨道中心距离,我推导出使行星维系于其轨道的力,必定反比于它们到其环绕中心距离的平方。因而,对比保持月球在其轨道上的力与地球表面上的重力,我发现它们相当相似。”牛顿后来如是说。(引自《自然哲学之数学原理》) 
   “站在巨人的肩膀上”,牛顿创造性地发现了万有引力,即任意两个有质量的物体之间都存在相互吸引的力。 
    1687年,人类应当用黄金来书写的一年。 
    这一年,牛顿出版了他的光辉巨作——《自然哲学之数学原理》。 
在这一元典中,他提出了奠定经典力学基础的牛顿运动三大定律以及万有引力定律。 


    关于牛顿运动三大定律,诸位在课堂上肯定是接触过、了解过的,因而,你完全可以跳过去,它不会影响我们后面的旅程。在这里,我还是要把它写下来,因为它是人类思想的精华和巅峰。 
    牛顿第一定律(惯性定律) 每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。 
    牛顿第二定律  运动的变化正比于外力,变化的方向沿外力作用的直线方向。 
    牛顿第三定律  每一种作用都有一个相等的反作用;或者,两个物体间的相互作用总是相等的,而且指向反向。(引自《自然哲学之数学原理》) 
    而牛顿的万有引力定律说的是:任意两个有质量的物体间都存在着相互吸引的力,其大小与两物体的质量之积成正比,与其距离之平方成反比。 
    自然语言的描述是抽象的,这就与追求精确的科学的目的相悖,这就产生了矛盾。有矛盾就必须解决矛盾,无论在社会中,还是历史中,甚至生活中,这都是不变的解决事情的方法。因此,在科学中也不例外。而锦囊是——用数学语言。 
    只有数字才能定量地描述一件事或物。打个比方,如果说“这块石头很重”,但是究竟有多重呢?不同的人会有不同的理解。但换成说“这快石头重达100公斤”,那么大家就能取得这块石头很重的统一认识了。这就是数字,或者在扩大一些——数学语言的优势所在。 
    同样的道理,这个万有引力究竟有多大呢?自然语言很难说得清楚。 
    要是写成数学式子,运用数字来去描述的话,就相当的直接、明了。 
    F=GMm/r2 
    这是万有引力的数学表达式。其中,M、m是两物体的质量,用具体数字代替。r是他们的距离,还是代表某个数字。G是常量,等于6。67×10…11(牛米2/千克2)。 
    于是,质量均为1千克的两个物体,相距1米的话,我们可以很快地将这些具体数字代入上面那条式子中,运用计算法则得到他们之间的万有引力大小——6。67×10…11牛。大家就能清楚得达成了共识。 
    如果用自然语言来描述的话,诸位试一下,看看有没有困难。 
    从中我们可以体会到,数学式子也不过是一种描述事物的语言,它没有什么可怕的。它是人们在解决矛盾过程中的必然结果。而且,它还具有比平常语言的优越性。拥有它,驾弩它,是人类智慧的象征,是一个人素质的体现。 
    希望一些朋友能够放下对数学的恐惧,而给予它一个正确的对待,还予它一个公正的评价。这不也是我们的责任吗? 
    人,不能因为个人爱恨,而失去对事物的公平对待。 
    生活如此,科学亦如此。 
    好,咱们继续前行。 


 一开始不被人信服、理解,在嘲讽中成长,最后赢得世人无上的赞赏和荣耀。 
    这是诸多理论的必由之路。 
    万有引力定律也不例外。然而,历史的车轮滚滚前行,每一样事物最终都会得到它应有的位置。 
    1781年,英国天文学家威廉·赫歇耳利用望远镜发现了太阳系的第七大行星——天王星。所有人都在期待下一颗行星的登场,然而一无所获。 
1821年,人们在计算和观察中发现,天王星的轨道与牛顿万有引力定律的预言有很大偏差,什么原因呢? 
    一个可能,牛顿错了。 
    另一个可能,牛顿是对的。如果是这样的话,那就应该有一个未知的天体影响了天王星的运动。 
    何去何从?历史的判决还是交给实验。 
    在这千钧一发的时刻,英国剑桥大学学生亚当斯(嘿嘿,牛顿的校友,或者师弟)和法国天文学家勒维烈分别独自经过辛苦的计算,得到了这个未知天体的参数。 
    1846年9月23日,柏林天文台。漆黑的夜晚。两个青年屏住呼吸,小心翼翼地对准了他们计算得到的位置。 
    老兄,是这里吗? 
    我看有点像! 
    确定一点,好像…… 
    我说兄弟呀,是它吧……应该是的! 
    我没有眼花吧? 
    …… 
    历史翻开新的一页,在上面重重地写上:1846年9 月23日,亚当斯和�
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