25 万有引力:神秘的超距作用

牛顿第二定律中的F只代表力,任何力都行。当你要选定一个力代入方程时,首先必须定义这个力,并将它量化,然后才能使用方程。这样,当作用力是重力时,牛顿发现了万有引力。它表示所有物体相互之间都存在引力作用。这些力取决于物体间隔的距离以及每个物体的质量。牛顿认为这种引力作用在物体的所有原子上,而不仅仅局限于表面原子。例如地球对苹果的引力,地球的每一个原子都对苹果的每一个原子施加了引力。我们必须补充的是,苹果也对地球有引力。这是一个可怕的对称,因为地球也要向着下落的苹果移动一个非常微小的距离。该定律“万有”的性质表明这种力是无处不在的。传说牛顿看到了下落的苹果,意识到物体之间普遍存在一种力,称之为“引力”,并且将其数学化,这就是我们熟知的万有引力。

牛顿的万有引力定律适用于任何地方的各种物体之间。万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上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。它第一次解释了引力(自然界中四种相互作用之一),一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

牛顿定律本身就合乎理性,并且具有数学上的简洁,但其中仍然存在着某些困扰人的问题。物体相互吸引,相互作用,但虚空把它们如此彻底分离开和孤立起来,它们到底是怎样克服其阻隔而进行作用的呢?牛顿的万有引力概念,这是他最伟大的胜利,时常被理解或误解为一种超距作用,正是这一点成了接受牛顿主义的最大障碍。

虽然牛顿的理论标志着把自然现象因果地联系起来所取得的最大的进步,但牛顿的万有引力却在同时代人那里引起了强烈的质疑。牛顿万有引力定律假定引力瞬时作用在距离上,没有任何中间媒介。牛顿的平方反比定律(两个物体之间的引力随着两者之间距离的平方衰减),我们不需要考虑引力如何从太阳传到地球上,就可以得到星球的运行路径。如果数学上不需要考虑引力在空间的移动就可以有效计算,那么引力是否真的有超距作用呢?

尽管大部分牛顿的信徒都是如此认为的,但他本人并不这样认为,超距作用让牛顿大为头疼。牛顿从来不认为仅仅因为这个概念在数学上意味着超距作用,它就是真实的。在17世纪早期,许多学者就放弃了牛顿的整个理论,因为他们没法想象引力如何瞬间穿过虚无空旷的巨大空间而不需要任何中间媒介。但牛顿定律却非常有效,除了描述星体运动外,还能准确预测诸如哈雷彗星的返回日期和海王星的存在(根据天王星轨道的偏离来推测的)等现象。因此,超距作用就被认为是不证自明的了。

牛顿本人从未承认过引力是一种“物理的”力。他曾强调这只是一种“数学的”力,超距作用,即不通过中介——不仅对于物质,也对于上帝——就能直接作用于物体,是绝对不可能的。他清楚知道万有引力定律是描述性,而非解释性的。引力是一种需要被物理解释的属性,牛顿无法做到这一点。牛顿不想在缺少合适理论的时候就贸然给出一个假想的解释,他宁愿对此不做解释,他有一句著名的话:“我不构造任何假说。”直到二百多年后爱因斯坦的广义相对论出现,引力才得到了科学的解释。

虽然牛顿反对任何超距作用,他还是把他的世界建立在了力的相互作用的基础之上,它们所遵从的数学定律必须由自然哲学来确立,但确立的方法是归纳,而不是纯粹的臆想。尽管事实上如牛顿所强调指出的那样,引力和以太概念是假设,而假设的东西根本不能理解为是实在的,但对于19世纪的科学家们来说,牛顿原来的引力和以太假设,已经成了毋庸置疑的事实。对牛顿物理学的反对开始在是深刻而强烈的,渐渐地销声匿迹了。这个体系的成功证明了自身的价值,引力也逐渐不再是那样不可思议。物理学家马赫评论:“非同寻常的不可理解性变成了一种寻常的不可理解性。”

不管怎样,牛顿的万有引力定律简单优美,与牛顿的运动定律结合在一起可以解释浩瀚的天文现象,勾画出一幅雄伟的世界体系。18世纪的法国大科学家拉普拉斯说,牛顿的《自然哲学之数学原理》提出了宇宙的最伟大定律,它将永远成为深邃智慧的纪念碑。

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