通识物理：万有引力理论的检验展示

在17世纪末，牛顿首先写出了万有引力的数学表达式并提出了完整的万有引力定律。但是，任何物理定律的确立，都必须经由大量科学和生活实践的检验。万有引力定律也是这样，在它刚刚提出的时候，人们更多的是把它作为一个猜想和假设来看待的，正是接下来发生的一系列事件，才逐渐打消了人们对万有引力定律的疑虑。

1682 年，一颗明亮的彗星出现在伦敦的夜空中，这引起了英国物理学家哈雷的极大兴趣。哈雷是牛顿的好朋友，在牛顿的建议下，哈雷首次应用万有引力定律和牛顿运动定律计算了这颗彗星的轨道和周期，其结果不仅揭示了这颗彗星是每隔76年就绕行太阳一周的周期性彗星，而且还证实历史上多次出现的彗星其实是同一颗。与此同时，哈雷根据彗星周期还做出了预言：“这颗彗星在76 年的周期后，也就是1758 年、1834 年和1986 年还将到访地球”。1759 年3 月14 日，在哈雷去世十几年后，这颗彗星终于通过近日点，再次照耀地球，然而人们没有忘记哈雷的预言，这颗彗星也因此被命名为“哈雷彗星”。由于哈雷是根据万有引力定律来计算彗星周期的，所以这也证实了万有引力定律的正确性。

验证万有引力定律的另一个经典例子则是海王星的发现。从19 世纪开始，人们就已经发现天王星的运动轨道很不规则，其实际轨道与万有引力定律算出的结果并不符合，这是万有引力定律有问题吗？这时，两位年轻人——英国的亚当斯和法国的勒维叶，他们都怀疑这是由一颗未知行星的引力扰动所导致的（图1.12）。因此，他们也利用万有引力定律进行计算，终于获得了这颗未知行星的轨道和可能的位置。然而，由于天文观测条件的限制，亚当斯和勒维叶都没有直接观察到这颗未知行星。1846年，柏林天文台的伽勒根据亚当斯和勒维叶预告的位置，经过多次仔细的观察，终于在与预告偏差不到1度的位置上发现了这颗未知的行星，也就是海王星。海王星的发现，再次支持了万有引力定律的正确性。而随后，在万有引力定律的理论引导下，科学家经过多年的观察，于1930年又找到了另一颗对海王星轨道构成引力扰动的新星，也就是太阳系内的第九颗行星——冥王星。不过有趣的是，冥王星实在是太小了，不仅其质量仅为地球质量的约1/470，而且其体积比月球还要小。所以，在2006 年举行的国际天文学大会上，科学家们以压倒性多数的投票结果通过决议，将冥王星重新定义为“矮行星”，而非行星。于是，太阳系内的“九大行星”又变回了“八大行星”；不过，冥王星虽然被踢出了“行星”的概念范畴，但其仍然在太阳系的范围内。

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图1.12　亚当斯和勒维叶通过观察天王星的运行轨迹而预言了一颗未知行星

海王星和冥王星的发现以及哈雷彗星的预言，共同被认为是牛顿万有引力定律的伟大胜利。万有引力定律也成为17 世纪自然科学最伟大的成果之一，它不仅第一次揭示了自然界中的一种基本相互作用，是人类认识上的一次飞跃，还打开了牛顿经典力学的大门，对物理学的发展具有深远的影响。如今，牛顿万有引力定律的现代版本——“广义相对论”已成为现代天体物理学和宇宙学分析问题的理论基础，万有引力理论的普适性遍布整个宇宙。就这样，从苹果到月亮，从太阳到宇宙，天上人间，凡是有万有引力参与的一切复杂现象，无不归结到一条简洁的物理定律中。