牛顿引力定律及其应用

1642年伽利略与世长辞，就在第二年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）出生了。从哥白尼开始到开普勒再到伽利略，他们都在寻找一个能够解释月球、行星运动的可行的物理理论，牛顿提出的引力理论为这一探索之旅画上了一个圆满的句号。牛顿指出，行星沿圆周运动而非直线运动是因为受到另一个天体的力的作用。他意识到这种驱使行星运动的力与让苹果掉落到地球表面的“重力”其实是同一种力。假设宇宙万物之间皆有引力，这就能够解释月球为什么绕地球转动、行星为什么绕太阳转动了，甚至还可以用来解释潮汐现象。经过深入的数学论证，牛顿证明了两个天体间的引力与它们距离的平方成反比，这个定律还可以解释开普勒的所有定律。

为了解释天体的运动，牛顿做了一系列假设，包括破天荒地提出了行星间不存在任何物质的猜想。1644年，著名法国哲学家勒内·笛卡儿（René Descartes）在他的一本著作中提出，宇宙到处充斥着由无形的物质组成的高速旋转的涡旋，每个涡旋的中心都有一颗恒星。他认为太阳就置身于其中一个涡旋中，涡旋带动着行星围绕它转动。在牛顿的宇宙观里，物体之间的相互作用并不需要依赖任何物理媒介，而是引力的作用使然。

这个引力理论后来被编入他于1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，该著作通常被简称为《原理》（拉丁文为Principia）。虽然牛顿确定了主宰太阳系运行的力的名称及其特点，但他没有尝试解释太阳系或行星的诞生过程。他相信是上帝创造了一切，这就够了。他还留下一个问题没有解决：如果行星之间的引力作用会把它们拉向彼此，那为什么它们还保持在原来的轨道上？

难不成上帝会时不时出手干预，使宇宙万物维持在各自的位置上？要是这样的话，那他又为什么要创造出这么一个不完美的系统呢？牛顿的科学洞察力卓绝超群，他是人类知识的最大贡献者之一，但他还是无法找到一个圆满的解决方案。直到现代，科学家才知道，太阳系不会如发条一样永远只在原位运转。行星发展到最后，可能会严重偏离原来的轨道，并和其他行星相撞。(www.xing528.com)

牛顿在《原理》中介绍了根据同一彗星在三个不同时间所处的位置来确定彗星轨道大小、形状和方向的方法。这个方法的发现还得归功于他和英国首任皇家天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）的一次争论：他们对1680年11月和12月先后出现的两颗明亮的彗星是否为同一颗各执一词。弗拉姆斯蒂德坚信它们其实是同一颗彗星，这颗彗星近距离掠过太阳后再次回归。牛顿最初持有相反意见，但后来又改变了主意。1684年左右，牛顿确信彗星因为太阳引力而沿太阳做曲线运动，而彗星呈抛物线的运动轨迹说明了1680年观测到的两次彗星实为沿抛物线运动的同一颗彗星。

牛顿编写《原理》的过程中受到了埃德蒙·哈雷的大力支持，哈雷甚至个人出资资助了该书在英国皇家学会出版。哈雷迫不及待地想要利用牛顿的轨道计算方法来计算以往发现的彗星的轨道，因为他之前就怀疑同一颗彗星是否有可能会多次回归。在1695年给牛顿的信中，他写道：“先生，可否劳烦您替我向弗拉姆斯蒂德先生索要他有关1682年彗星的观测资料，尤其是1682年9月的资料？因为我越来越肯定这颗彗星已经被看见三次了，第一次就在1531年。”最终，通过牛顿的方法，哈雷得出结论：1531年、1607年和1682年看到的三颗彗星事实上是同一颗彗星在不同时期的回归。它们回归时间的轻微差异可能是因为轨道受到了木星引力的作用。1705年，哈雷将他的发现写进《彗星天文学论》一书中，并预言该彗星的下一次回归时间为1758年年末或1759年年初。就在哈雷逝世的16年后，也就是1758年，这颗彗星果然如期而至，它后来被命名为“哈雷彗星”。这是人类历史上首次成功预测出彗星的出现时间，同时也有力佐证了牛顿引力定律的正确。