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丽星娱乐场|牛顿的苹果|真的还是假的 ②

金诚在线娱乐网站      2020-01-09 14:37:58  

丽星娱乐场|牛顿的苹果|真的还是假的 ②

丽星娱乐场,正如我们在上一篇文章中所说,苹果的故事确实来自牛顿本人。但是考虑到他和胡克关于重力发现的优先权的争论,这个故事是真的吗?~继续和我们一起走进牛顿的世界~

月亮和重力

虽然牛顿在自己的著作中从未提到苹果,但他确实提到早在1660年他就推导出了平方反比关系,考虑了地球上的重力是否会延伸到月球,并进行了检验。

这一计算也在《原则》第三卷中给出。根据圆周运动向心加速度公式和开普勒第三定律,可以推导出输出的平方反比关系。那么如何验证这种关系呢?当时,人们知道从月球到地球中心的距离大约是地球半径的60倍,所以地球表面的重力加速度应该是月球轨道向心加速度的3600倍。这个加速度可以根据月球的距离和月球绕地球旋转的周期来计算。另一方面,地球表面的重力加速度也可以用钟摆来测量,并与上述值进行比较。

《牛顿原理》第三版编辑彭伯顿、牛顿剑桥大学卢卡斯数学教授的继任者威廉·惠斯顿以及伏尔泰等人都在他们广受欢迎的《原理》著作中说,由于当时已知的地球半径不准确,测得的加速度是4000倍,接近3600倍,但并不完全一致。根据他们的陈述,牛顿没有立即发表他的理论。直到法国天文学家让·皮卡德测量出相对精确的地球半径,这两个值才完全一致。牛顿在他的《原理》中采用了这种新的测量方法。从那以后,这种说法被许多物理教科书所遵循,例如费曼关于物理学的课堂笔记,作为重视精确实验数据的科学态度的一个例子(7,第1卷,7-4页)。但是近年来,历史学家通过对牛顿手稿的研究发现实际情况更加复杂。

根据牛顿的手稿,牛顿是第一个能够对他思想的演变进行深入研究的人。牛顿喜欢通过做详细的笔记来学习和研究,作为一个完美主义者,他经常修改和重写自己的论文,所以他经常留下同一本书的几个版本,这些手稿不是被丢弃而是被保存下来,这样人们就可以理解他思想的演变。

另一方面,多亏了康迪特夫妇。牛顿死后,大多数继承他遗产的亲戚都没有受过教育。他们主要关注牛顿手稿中几乎完成和可出版的部分,希望通过出版这些手稿获得一点版税。康迪特和他的妻子意识到牛顿手稿的巨大历史价值,所以他们小心翼翼地保存了所有手稿,包括数数稻草纸,并把它们传给了后代。

在牛顿16世纪60年代的手稿中,他确实找到了几份相关的手稿,证明他确实进行了上述月球和地面的比较计算。牛顿成功地推导出了圆周运动的公式,正如人们所说,因为当时采用的地球半径是不准确的,所以这些值并不完全一致。此外,牛顿还计算了行星随离太阳距离的变化。所有这些都证实了牛顿的观点,即从那时起引力就被考虑在内,并且平方反比关系是已知的。

然而,这些历史学家也发现牛顿的力学概念在16世纪60年代仍然相当混乱。圆周运动的概念有一些错误。经验表明,当人们用手挥动锤子时,他们会觉得需要用力抓住锤子,否则锤子会飞出他们的手。当时人们认为这是圆周运动物体的切向离心趋势。牛顿还计算了这种离心趋势的大小(他使用了conatus这个词)。至于我们现在认为物体的圆周运动需要向心力这一事实,牛顿只是在他后来的著作中,特别是《原理》中明确指出了这一点。因此,现代历史学家认为,牛顿的手稿表明,虽然牛顿在16世纪60年代写的公式在形式上类似于他后来在《原理》中给出的公式,但当时他并没有形成万有引力的概念。

牛顿在19世纪60年代主要受笛卡尔机械哲学的影响。笛卡尔重视物体的运动守恒(即动量守恒),主张物质相互影响,通过相互接触改变运动状态。他认为宇宙充满了物质(类似于以太),没有物质就没有空间。这些以太漩涡是驱动行星旋转的原因。在这样的理论中,“力”的概念并没有清晰地形成,只是在人们的日常生活中有着模糊的含义。事实上,在撰写《原理》之前,牛顿还在他的拉丁文原文中使用了“惯性”一词,意思是“内力”来保持物体的运动状态不变。当然,今天人们通常只说惯性而不是惯性[1]。

[1]在莫特-卡佐里(motte-cajori)的英语翻译中,这个词曾一度流行很久,直接被翻译成惯性,这与现代物理教科书中的用法是一致的。在科恩-惠特曼的新译本《[5》中,为了更好地反映拉丁语版本的原始历史面貌,它被改为惯性力。在赵振江翻译的《原理》中文版中,可能是为了避免与当前物理术语“惯性力”(指离心力和科里奥利力等非惯性参考系中与物体质量成比例的力)混淆。这个术语被翻译成“惯性力”。

简而言之,早在16世纪60年代,牛顿就开始比较月球圆周运动和地面重力加速度之间的数值关系。因此,牛顿说,苹果的坠落激励他认为,为万有引力的优先权而战不应该是谎言。然而,牛顿当时并没有完全完成他的发现,而是停留在一个错误的概念上。然而,我仍然感到有点困惑。牛顿清楚地意识到,要保持月球绕地球旋转,需要指向地球中心方向的东西,也就是重力,这导致苹果落下。经过两年的自学,他掌握数学和发明微积分的天才,为什么他在这个问题上长期停留在一个模糊和错误的概念上?这是极其不可理解的,但简而言之,历史学家通过研究牛顿的手稿得出了这样一个结论。

那么,牛顿最终是如何形成他在《原理》中给出的力的概念,以及我们从经典物理学中学习到的力的概念的呢?根据历史学家的研究,牛顿的思想受到两个方面的影响:炼金术和胡克。

魔力

我们经常读到一句谚语,说牛顿晚年沉迷于神学和炼金术,所以他没能在数学和科学方面有更多的新发现。事实上,这并不十分准确。他对这两个领域的兴趣不晚于数学和自然科学,在晚年,他实际上停止了炼金术的研究。

牛顿对化学或炼金术实验的热情是当时的人们所知道的,但不清楚他在研究什么。直到20世纪20年代,著名经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯才尽最大努力购买了牛顿手稿的一部分,发现其中含有大量炼金术的内容,牛顿的研究才为人所知。

图1。牛顿笔记中的魔法石(青金石)

今天,炼金术被认为是一门伪科学,它了解物质的原子结构。然而,在牛顿时代,这一点一目了然。那时,炼金术和化学刚刚分离。他们的许多技术相似,但也有两个不同之处。首先,当时的炼金术士非常神秘。他们在相互交流或出版作品时经常使用假名。牛顿有一些神秘的会议,人们认为可能是与一些炼金术士。第二,炼金术有一套神秘而复杂的术语和理论体系。最简单的如太阳代表金,月亮代表银,水银代表汞等等,炼金术的化学反应也用一套神秘的原理来解释。

例如,一个典型的描述如下:“关于镁或绿狮,它也被称为普罗米修斯或变色龙。也被称为双性恋和处女玉土。尽管太阳是父亲,月亮是母亲,但太阳的光永远不会照在它身上。普通的水银,天上的露珠,可以使土壤肥沃,硝石更好。它属于土星。”(摘自《[3》中引用的牛顿手稿,第292页)。

顺便说一句,有一件有趣的事情:莱布尼茨,微积分的另一个发明者,早年也对炼金术感兴趣。读完一本关于炼金术的书后,他无法理解。所以他幽默地给当地(纽伦堡)炼金术士协会写了一封信,模仿炼金术士作品的风格和术语。结果,他被聘为协会秘书和专家。

牛顿不是一个贪婪的人(尽管他对金钱并不漠不关心),他认为炼金术是对神秘自然法则的探索。凯恩斯经常引用一句话,“牛顿不是理性时代的第一个人,他是最后一个巫师”[8]但是牛顿对炼金术的研究风格不像巫师,而是高度系统化和科学化的。他购买了各种炼金术文献和秘籍,自己制作了一套索引或炼金术词典,并逐一提取了不同作品中关于每个主题的陈述,每一个往往多达几十种。同时,牛顿并不完全相信这些作品。他自己做实验,购买并制作了许多实验设备,尝试了各种配方比例,并一一记录下来。

根据研究牛顿手稿的历史学家的分析,虽然炼金术在当时的自然哲学论文中没有直接提到,但从术语上可以看出,炼金术中物质的神秘相互作用使牛顿接受了物质之间的吸引力概念,并将“力”的概念置于自然哲学的更中心位置[3,5]。

结论

胡克在他1674年的著作和他1679-1680年与牛顿的通信中的观点与万有引力最终理论的一些基本观点非常相似,对牛顿有着明显的影响。应该说胡克确实对万有引力的发现做出了贡献。事实上,现代历史学家认为胡克对牛顿最重要的影响可能是他重新考虑了圆周运动,发现了原始概念的错误,并最终形成了圆周运动是由向心力引起的正确解释。然而,一旦最初的误解被打破,牛顿的数学天才就得到充分发挥,使他能够迅速建立一个正确的天体力学理论。

此外,作者认为,甚至在《原理》被写成之前,牛顿、瑞安、哈雷等英国学者就自然产生或接受了行星受太阳引力影响的观点。后来欧洲大陆的许多学者,如惠更斯、莱布尼茨等人,觉得没有中间物质媒介的“超距离效应”的想法相当难以接受,这可能与胡克的作品有关。牛顿本人在与哈雷的通信中承认,他只是在与胡克通信后才计算出行星的轨道,并得出结论,这些轨道是椭圆。

不幸的是,胡克非常草率地公开指责牛顿剽窃,激怒了牛顿。此外,他似乎不知道他对牛顿的真正影响在哪里,但强调重力的平方反比来自他自己,这自然被牛顿驳倒了。事实上,以前很多人都推测过平方反比定律,正如牛顿的手稿所显示的,牛顿自己已经得到了平方反比结果,在这方面他真的不需要胡克(Hooker)。然而,在《原理》第三卷中,牛顿仍然提到哈雷、瑞安和胡克都提出了重力的概念,重力与距离的平方成反比。

“原理”不仅给出了运动定律和万有引力定律,而且发展了一整套理论。牛顿还发展了流体力学,并证明笛卡尔涡旋不能满足行星的开普勒运动定律。他不仅推导出开普勒行星运动定律,即行星受到的力来自太阳,满足平方反比关系,还解释了大行星、木星和土星的卫星、卫星、彗星等的运动。,而且还发展了一种初步的微扰理论,它可以更准确地预测行星的轨迹。他还给出了潮汐、地球形状、地球极轴进动等定量理论。1687年,《原理》最终在哈雷的努力下出版,成为现代科学革命的里程碑。

图2。剑桥大学三一学院门前的苹果树是从牛顿的家乡苹果树嫁接移植过来的。牛顿住在树后的房间里。

简而言之,根据历史文献,牛顿在看到苹果落在后面后,很可能受到启发去思考重力与月球和行星运动之间的关系,最终发现了万有引力。当然,这个过程不是一夜之间发生的,而是持续了20年,牛顿在这个过程中也受到胡克等人的影响。事实上,苹果公司的完整故事很好地展示了科学创新的过程,仍然值得孩子们去讲述。

牛顿的苹果|对还是错

[1]伏尔泰,《哲学简史》,阎素伟译,商务印书馆,2018年。

[2]威廉·斯图克雷(William Stukeley),伊萨克·牛顿爵士生平回忆录,引自泰伦·江翻译的五种牛顿传记,商务印书馆,2007年。

【3】理查德·s·韦斯特法尔,《永不停歇》,艾萨克·牛顿传记,第154页,剑桥大学出版社,1980年。

[4]牛卫星,“天体文学史——人类认识宇宙及其自身历史的历史”,上海交通大学出版社,2011年。

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