萬有引力的發(fā)現(xiàn)過程及其地位作用
萬有引力（稱為引力、重力）是任何有質(zhì)量的物體之間的一種吸引
力。兩個(gè)物體之間引力大小與兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與兩個(gè)物體的
距離平方成反比。萬有引力作用方向在兩個(gè)物體質(zhì)心的連線上。也就是
說，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的萬有引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間
距離的平方成反比，方向在它們的連線上。
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牛頓是如何發(fā)現(xiàn)萬有引力的
物理學(xué)形成一門獨(dú)立的學(xué)科，并且成為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是從經(jīng)
典力學(xué)開始的。在此之前，人類的文明史中雖有不少有關(guān)物理的、有價(jià)值
的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，但沒有形成完整的理論體系，也就是說，還沒有構(gòu)成獨(dú)立
的物理學(xué)。
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世紀(jì)以后，由于航海、戰(zhàn)爭(zhēng)和工業(yè)生產(chǎn)的需要，力學(xué)的研
究得到了迅速的發(fā)展。航海事業(yè)促進(jìn)了天文觀測(cè)，天體運(yùn)行的大量精確的
數(shù)據(jù)資料為揭示行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。
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世紀(jì)，牛頓總結(jié)了以開
普勒、伽利略為代表的許多物理學(xué)家的研究成果，建立了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和
萬有引力定律，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的誕生。牛頓建立的力學(xué)體系經(jīng)過伯努利
﹑朗日、達(dá)朗貝爾等人的推廣和完善，形成了系統(tǒng)的理論，得到了廣泛的
應(yīng)用并進(jìn)一步發(fā)展出了流體力學(xué)、彈性力學(xué)和分析力學(xué)等分支，使經(jīng)典力
學(xué)成為自然科學(xué)中的主導(dǎo)和領(lǐng)先學(xué)科，由此我們可以看出，有關(guān)引力問題
的研究是物理學(xué)發(fā)展的一塊重要的基石。
萬有引力的發(fā)現(xiàn)，是
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世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一。它把地面
上的物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)一了起來，對(duì)以后物理學(xué)和天文
學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。它第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的
規(guī)律，使人類認(rèn)識(shí)自然的歷史上樹立了一座里程碑。
兩個(gè)通常物體之間的萬有引力極其微小，我們察覺不到它，可以不予
考慮。比如，兩個(gè)質(zhì)量都是
60
千克的人，相距
0.5
米間的萬有引力還不
足百萬分之一牛頓，而一只螞蟻拖動(dòng)細(xì)草梗的力竟是這個(gè)引力的
1000
倍！但是，天體系統(tǒng)中，由于天體的質(zhì)量很大，萬有引力就起著決定性的
作用。在天體中質(zhì)量還算很小的地球，對(duì)其他的物體的萬有引力已經(jīng)具有
巨大的影響，它把人類、大氣和所有地面物體束縛在地球上，它使月球和
人造地球衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)而不離去。
重力，就是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產(chǎn)生的。但是
需要注意的是，因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)，除了在南極北極端點(diǎn)，在地球上任意一
點(diǎn)的物體，其重力并不等于萬有引力。此時(shí)可看作繞地球的向心力和重力
合成萬有引力。由于繞地球自轉(zhuǎn)的向心力遠(yuǎn)小于重力，故一般就認(rèn)為重力
就略等于萬有引力了，其實(shí)重力是略小于萬有引力的，只有在南北極物體
繞地球自轉(zhuǎn)的向心力為零時(shí)，重力才等于萬有引力。
現(xiàn)在我認(rèn)為，物質(zhì)之間可以相互發(fā)出有引力線。引力線也是質(zhì)量存在
的一種形式。引力場(chǎng)或引力線也有質(zhì)量。引力場(chǎng)有一定強(qiáng)度，有的大、有
的小。我們似乎可以計(jì)算引力場(chǎng)的質(zhì)量大小。基本可以這樣認(rèn)為，空間引
力場(chǎng)質(zhì)量的大小，在引力場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，與空間體積的大小成正比。與引
力場(chǎng)的強(qiáng)度成正比，應(yīng)該是這樣吧？是不是這樣無所謂，不涉及這個(gè)問
題。暫時(shí)只研究，空間引力場(chǎng)質(zhì)量的大小，在引力場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，與空間
體積的大小成正比。
一定質(zhì)量的物質(zhì)，發(fā)出的引力線或引力場(chǎng)的狀況如何呢？是不是，引
力線或引力場(chǎng)，從這個(gè)物質(zhì)出發(fā)而終止于其它所有物質(zhì)。或者說，引力線
或引力場(chǎng)，從這個(gè)物質(zhì)出發(fā)而不考慮其它的任何物質(zhì)，只是向前發(fā)出，永
無止境呢？這是兩種不同的情況。
如果是永無止境的向前運(yùn)動(dòng)，只是碰到物質(zhì)時(shí)，便有作用力，既引
力。如果是這樣的，萬有引力效果，與我們現(xiàn)在所感覺的一樣，沒有什么
差別。既，與引力線或引力場(chǎng)從物質(zhì)出發(fā)，而終止于其它所有物質(zhì)的萬有
引力效果，與不這樣假設(shè)是一樣的。
2
愛因斯坦如何用相對(duì)論解釋萬有引力
狹義相對(duì)論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力
被認(rèn)為是一種超距作用，它的傳遞不需要時(shí)間，產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的。這
同狹義相對(duì)論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對(duì)牛頓的
萬有引力定律也要加以改造。
改造的關(guān)鍵來自厄缶的實(shí)驗(yàn)，它以很高的精確度證明：慣性質(zhì)量和引
力質(zhì)量相等，固此不論行星的質(zhì)量多大多小，只要在某一時(shí)刻它們的空間
坐標(biāo)和速度都相同，那末它們的運(yùn)行軌道都將永遠(yuǎn)相同。這個(gè)結(jié)論啟發(fā)了
愛因斯坦設(shè)想：萬有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了
廣義相對(duì)論。
根據(jù)廣義相對(duì)論，空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動(dòng)
量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物
體的運(yùn)行軌道。在引力不強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲度很小情況下，廣義相對(duì)論
的結(jié)論同牛頓萬有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較
強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的隋況下，就有區(qū)別。不過這種區(qū)別常常很小，
難以在實(shí)驗(yàn)中觀察到。從廣義相對(duì)論提出到現(xiàn)在，還只有四種實(shí)驗(yàn)?zāi)軝z驗(yàn)
出這種區(qū)別。廣義相對(duì)論不僅對(duì)于天體的結(jié)構(gòu)和演化的研究有重要意義，
對(duì)于研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化也有重要意義。廣義相對(duì)論作為新的引力理論
得到了實(shí)踐的支持。愛因斯坦本人首先用它解釋了用牛頓引力理論不能完
全解釋的水星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問題。接著，他計(jì)算了太陽引力場(chǎng)對(duì)星光的
彎曲，所得結(jié)果比牛頓引力理論的相應(yīng)結(jié)果大一倍，但與后來天文觀測(cè)的
結(jié)果很接近。愛因斯坦在創(chuàng)建了現(xiàn)代引力理論后，又據(jù)此提出了新的宇宙
模型，這標(biāo)志著相對(duì)論宇宙學(xué)的誕生，也是現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的開始。
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世紀(jì)
60
年代，隨著中子星的發(fā)現(xiàn)、
3K
宇宙背景輻射的確認(rèn)等一系列科學(xué)
上的重大進(jìn)展，現(xiàn)代引力理論及在此基礎(chǔ)上建立起來的大爆炸宇宙模型得
到了普遍的接受。縱觀物理學(xué)發(fā)展的歷史，可以看出，從牛頓萬有引力定
律，到愛因斯坦廣義相對(duì)論，有關(guān)引力的理論，形成了物理學(xué)中理論發(fā)展
的一條鮮明的主線。它既是一個(gè)古老的課題，又是最現(xiàn)代前沿的領(lǐng)域；既
是物理理論最早建立的基礎(chǔ)，又是當(dāng)今理論研究方興未艾的焦點(diǎn)之一。除
了在理論上的重要地位以外，在實(shí)踐中，萬有引力也有廣泛的應(yīng)用。可以
說，一切發(fā)生在地球上的自然現(xiàn)象和人類所進(jìn)行的各種生產(chǎn)活動(dòng)，無一不
與萬有引力有關(guān)。特別是人造衛(wèi)星的發(fā)射和利用，涉及到現(xiàn)代工生產(chǎn)、科
學(xué)研究、交通運(yùn)輸、軍事偵察、無線電通訊，甚至深入到文化傳播、宣傳
等上層建筑和人類生活的方方面面。從天文授時(shí)到大地測(cè)量，從重力探
礦、資源普查到氣象和潮汐預(yù)報(bào)，從宇宙探索、航天技術(shù)到電視轉(zhuǎn)播、全
球移動(dòng)電話，其應(yīng)用之廣，不勝枚舉。萬有引力在物理學(xué)中所占的重要地
位，由此可見一斑。