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第1部分（第1页）

第一篇：引力与光

理论研究就像钓鱼：你不知道水中有什么，只有投竿，才可能有所收获。

——瓦尔（Novalis）

第一章　首批硕果

最幸运的人

一只小鸟的重量足以移动地球。

——列奥那多·达芬奇（Leonardo　da　Vhco）

古希腊哲学家在许多领域的天才思想至今仍未被超越，但他们对弓l力却所知甚少。亚男士多德（Aristotle）相信每个物体都有其在宇宙中的“自然位置”。最底层足陆地及其所有的直接附着物，在这上面是水，然后是空气，最后是最轻的元素火。一个因受力而离开其自然位置的物体总足要返回它自己的层次，因此，被抛射到空气中的箭或石块总是会落回地面。亚里士多德还进一步断言，物体的运动都沿直线进行，由弓射出的箭将沿直线向上运动，当弓所提供的力停止作用时，箭就又沿直线落回地面。

在20个世纪里几乎没有人对古希腊哲学家的理论表示过怀疑，尽管日常生活提供了反面的证据：箭的运动轨迹并不是一条直线，而是一条曲线即抛物线。只有一个人，即6世纪时生活在亚历山大城的约翰·菲罗帕纳斯（John　PhiloPonus），敢于提出惯性原理，向亚里士多德的思想挑战。

伽利略（Galileo）是对引力进行严格的科学考察的第一人。他做了一系列实验，包括让各种不同的物体从比萨斜塔上落下以及让不同大小的球沿斜面滚下。1638年，他发现了引力的最基本的性质：在其作用下的所有物体都得到同样的加速，与物体的质量或化学成分无关。

伽利略的工作以其对物理现象的仔细观察和深刻的科学推理而著称。他的结果显然与亚里士多德对世界的认识相反。在研究一个物理现象时，我们必须分离出所有那些使我们的日常经验复杂化的外部因素。为了从对在空气中下落的物体的观察而推导出支配真空中物体自由下落的普遍规律，伽利略必须首先理解摩擦力和空气阻力，因为正是这些与物体的大小和质量有关的“寄生”效应掩盖了引力的真正作用（如果像某些历史学家所认为的那样，伽利略事实上并没有从比萨斜塔上抛出物体，那么他由一连串的抽象推理而得出自己理论的能力应当受到更高的赞誉）。

直觉的天才有分析的天才为后继。按照广泛流传的说法，1666年的一个满月之夜，当一只苹果从树上落下时，伊萨克·牛顿（Isaac　Newton）正坐在那棵树下沉思。他突然意识到，由于同一种吸引的力量即地球引力，月亮和苹果都会朝地球下落。他计算出，两个物体之间的引力随它们距离的平方反比例减小，距离加倍，则引力减小4倍。月亮与地心的距离（384000公里）是苹果与地心距离（6400公里）的60倍，故月亮下落的加速度比苹果小60X　60＝3600倍。然后他运用伽利略的自由落体定律，即下落距离正比于加速度，也正比于时间的平方，于是得出苹果在1秒钟内下落的距离与月亮在1分钟内下落的距离相等。月亮的真实运动是已知的，牛顿所估计的距离与之相符。他所发现的正是万有引力定律。

牛顿的工作（当然远不止是他的引力理论）是人类智慧最辉煌的业绩，对当时和后世的思想都有巨大的影响。一个世纪后，法国的“黑洞之父”皮尔·西蒙·拉普拉斯（PICtrC　SllollLaPlace）认识到了牛顿的著作《自然哲学的数学原理》那种“胜过人类其他精神成果的卓越预示”。数学家约瑟夫·拉格朗（Joseph　Lagrange）则更进一步说道：“由于只有一个宇宙需要去解释，没有人再能重复牛顿所做的工作，他真是最幸运的人。”建立一个科学理论不一定会导致个人的快乐，但是的确没有任何其他科学工作具有牛顿理论那样根本的重要性，直至我们的时空观念被阿尔伯特·爱因斯坦（Albert　EinstCin）所彻底改变。

行星的爱好

牛顿理论最令人瞩目的应用是在天体力学中。牛顿运用了他的万有引力定律（“万有”意味着一切物体都受引力支配）去解释开普勒（xevter）描述“行星对太阳的爱好”的经验规律。有了这个惊人精确的理论工具，科学家们兴奋地揭示出一个新的太阳系。

新力学的第一个成功是爱德蒙·哈雷（Edmund　Halley）预言了一颗管星（后来即以他的名字命名）将于1759年回归，这颗管星果然在1758年的圣诞节重现。

牛顿理论还表明，开普勒对行星运动的描述只是近似的。如果一颗行星只被太阳吸引，其轨道将是一个完美的椭圆，但实际上每颗行星都受到其他行星引力的扰动（尤其是被木星扰动，它比其他行星都大得多），由此导致的轨道偏差虽然很小，却可以计算也可以观测。埃班·勤维叶（Urbain　Le　Verrier）和约翰·亚当斯（John　Adams）正是运用“扰动理论”于1846年预言了海王星的存在及其精确位置。这颗新行星果然在他们计算的位置上被发现，标志着牛顿引力理论的高峰。

不可见世界的两位先知

天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许也像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳25O倍的明亮星球，它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。

——皮尔·西蒙·拉普拉斯（1796）

18世纪末，约翰·米切尔（John　Michell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。

逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上如说火星抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有叨皿公里。

让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个很深而开口处很宽的势附来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向他心）相平衡。

有一种叫做一飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰。随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力势队的壁上运转。

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