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楼主: 柳之心

转帖: 《文盲正侃时间史第一部【物理正传】》

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 楼主| 发表于 2016-3-18 16:59:01 | 显示全部楼层
  幸运的是,恰好,就是这个行星的运行与哥白尼理论出入最大,火星轨道与哥白尼日心说预言相差8弧分!还有更巧的,火星轨道是太阳系行星中偏心率是比较明显的。我们马上就会知道这些巧合很重要。
  按照传统的偏心圆来探求火星轨道失败后,开普勒断定火星运动的线速度是变化的,而这种变化应当与太阳的距离有关:距离越近时,速度越快。他还认识到,火星在轨道上,其向径围绕太阳在一天内所扫过的面积是相等的。随后,开普勒看出火星的轨道有点像卵形,在连接极大与极小速度两点方向的直径似乎伸得长些,他确定了火星是在椭圆的轨道上运动。现在我们知道,为什么那些巧合很重要:如果是一颗偏心率不明显的行星,在轨道测绘不十分精密的情况下,很难确定椭圆轨道这一事实。也就是说,幸亏火星轨道“椭”得比较厉害!
  说到这,我们先干点体力活,休息休息大脑,顺便复习一下椭圆是怎么回事。
  在木板上钉一颗钉子,拿一根线,一头系在钉子上,一头系在笔上,保持线绷直,用笔在木板上画一圈,哇塞,原来是个圆!那个钉子钉的位置就是圆心,线长就是半径。咱俩都认识嘢,庆祝下。
  现在我们在另一块木板上钉两颗钉子,拿一根线,两头分别系在两颗钉子上,系好后线的长度要大于两颗钉子的距离才行,拿一支笔靠在线上,保持线绷紧,在木板上画线,绕两颗钉子一圈,哇塞,原来是个椭圆!两颗钉子的位置就是椭圆的“焦点”,它俩的距离当然就叫“焦距”了,过两个焦点与椭圆相交的线段,叫“长轴”。
  在线长不变的情况下,两颗钉子距离越远,画出的椭圆就越扁;两颗钉子距离越近,画出的椭圆就越接近圆;两颗钉子钉在一处,画出来的当然就是圆了。嗯,圆是一种特殊的椭圆,就像正方形是一种特殊的长方形一样。

 楼主| 发表于 2016-3-18 17:00:02 | 显示全部楼层

  1609年,开普勒发表了《新天文学》一书和《论火星运动》一文,公布了两个定律:
  一、所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上运动。太阳的位置不在轨道中心,而在轨道的两个焦点之一。这是行星运动第一定律,也叫轨道定律。
  二、在同样的时间里,行星向径在其轨道平面上所扫过的面积相等。这是行星运动第二定律,也叫面积定律。
  有了这个定律,可以计算任何时刻行星在轨道上的位置。爽就一个字,我只说一次。
  
取得了好成绩的开普勒同学没有骄傲自满,他还要解决下一个问题:行星离太阳越近,在轨道上跑得越快,那么,他们是什么数量关系呢?

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 楼主| 发表于 2016-3-20 08:16:23 | 显示全部楼层
  开普勒又一头扎进一堆乱七八糟的数字,整理、归纳、分析数量关系,过程十分枯燥(此处删去10万字)……9年后(如果当时有对数运算的话,或许9天就能搞定,可见数学之于科学多么重要),他终于找到一个奇妙的规律:行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。这是行星运动第三定律,也称调和定律。
  多美丽的定律啊,复杂的行星公转关系居然与数学结合得如此简洁美妙!
  在美丽的同时,它更是一条十分重要定律。它表明,行星们不是一群随便围着太阳乱转的马屁精,而是以太阳为中心,共同构成一个纪律严明、组织严密的天体社团——太阳系。不仅行星遵循着它,连同行星的卫星,以及太阳、太阳系、银河系等其他天体概无例外。从此,行星在夜空中复杂的运动,立刻就失去全部神秘性。



 上述行星运动三大定律,被称为“开普勒定律”,它把看似杂乱、令人头痛的行星运动,与精确的数学完美地结合在一起,成为天界的“法律”。开普勒因此被称为“天空立法者”。
  
  可是,星星们为什么要遵循这样的定律呢?是谁让星星小盆友们这样乖巧服帖?
  
  回答这个问题,我们不得不请出本文的第一位超级牛人——牛顿。

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 楼主| 发表于 2016-3-20 08:18:13 | 显示全部楼层
  如果有人问,世界上最牛的水果是什么,我一定毫不犹豫地告诉他:是苹果!
  它撮合了亚当夏娃,放倒了白雪公主,引发了特洛伊战争,成就了乔布斯(其实是乔哥成就了苹果,不过为了排比句…只好倒行逆施了…向刚刚逝去的老乔致敬),更重要的是,它还砸醒了牛顿!
  1665,没错,就是那一年。一只苹果从树上掉了下来。
  那一掉,苹果仅仅用了七十码,就画出了一道美丽的弧线(我们慢慢就会知道为什么不是直线而是弧线)。这道弧线后来被百晓生描摹下来,分别送给李寻欢和西门吹雪,这两个杀手的反应居然惊人的一致:沉吟半晌,然后一声长叹,分别毁掉了刀和剑。
  百晓生于是毫不犹豫地把兵器谱的第一名填上——苹果。
  牛顿这次注定要创造历史。哪怕他并不是刻意去创造,这就是科学家的可怕之处,他们总是在不经意之间创造于无形。
  事实上牛顿这次只想找个休息的地方。最好的休息处,最宜人的景致自然只有花园里才有。
  苹果树当然也在花园,苹果在枝上。惬意已在心中荡漾。
  再过几分钟,睡意便可在心中荡漾。
  忽然,牛顿皱了一下眉头。树上掉下来一个东西。曾掉过很多东西,却不是牛顿心中的那个。
  牛顿动了动。
  然而,苹果义无反顾地砸了下来。就是那道弧线,几米的距离。
  牛顿的头毫不犹豫地成为弧线的转折点。
  牛顿心中依然是自己想要的那个东西,突然,眼前一亮……
  感谢TVAVMV,那不是一颗椰子树;感谢领导、制导和向导,掉下来的不是榴莲、电锯或伐木工。
  牛顿摸摸脑袋,也问了类似上面那个问题:是什么让苹果总是向下掉,而不是向其他方向飞出去?它为嘛不掉到月亮姐姐那里去?月亮姐姐为嘛不掉到这里来?
  于是,像所有经典的故事一样,牛顿经过多年努力,苦苦追寻,终于发现了万有引力,从此过上幸福的生活,鲜花掌声不断。

  其实,像我们听到的许多美丽故事一样,苹果砸醒牛顿,也只是一个浪漫的传说。牛顿在日记中回忆道,苹果并没有砸到他。他只是由苹果落地想到,这可能是被地球引力拉下来的。

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 楼主| 发表于 2016-3-20 08:19:02 | 显示全部楼层
  有史学家认为,苹果的事纯属子虚乌有,因为牛顿完成万有引力定律的阐述、数学证明和公式推导,是1686年的事,相隔21年。而1665年的那时,23岁的有志青年牛顿同学对天体的运动规律问题还没有完全搞清楚。
  
  先把苹果的问题留给史学家好了。我们还是回到那个问题,是什么让行星俯首帖耳、循规蹈矩地运转?下面,我们跟随一批牛人、大牛人、巨牛人,温习一下他们创造的壮丽的时间表。
发表于 2016-3-20 13:35:37 | 显示全部楼层
柳之心 发表于 2016-3-20 08:19
  有史学家认为,苹果的事纯属子虚乌有,因为牛顿完成万有引力定律的阐述、数学证明和公式推导,是1686年 ...

好帖   通俗易懂   妙趣横生。
发表于 2016-3-20 13:39:47 | 显示全部楼层
只有对事物,有了透彻而深刻的认识的人,才能把枯燥和复杂的学问 ,给讲的简单,明了。  

点评

感谢杨兄光临捧场,好像没有太多人对这个帖子感兴趣。 希望有缘的人闲了能来读一读,除了具体的科学知识,也可以感受历史上那些大科学家对待科学的态度,对待某种理论的态度,对待争论的态度,对待前人的态度  详情 回复 发表于 2016-3-20 15:53
 楼主| 发表于 2016-3-20 15:53:52 | 显示全部楼层
杨金峰 发表于 2016-3-20 13:39
只有对事物,有了透彻而深刻的认识的人,才能把枯燥和复杂的学问 ,给讲的简单,明了。

感谢杨兄光临捧场,好像没有太多人对这个帖子感兴趣。

希望有缘的人闲了能来读一读,除了具体的科学知识,也可以感受历史上那些大科学家对待科学的态度,对待某种理论的态度,对待争论的态度,对待前人的态度。


这本书与霍金的《时间简史》类似,且更容易读,但这只是一本科普书,所以对其中的具体知识,比如牛顿力学啊、麦克斯韦方程啊、相对论什么的,读过了只是知道有这么回事而已,离懂了还差很远。

特别感谢的是作者。我的转载,因为没有得到授权,其实是对作者的大不尊重,因此我可能只转载一小部分,大概再有几页吧,也就是全书的十之一二吧,到我觉得能展示出我的愿望即止,算作给作者的书做个广告,不知道作者知道了能不能领情。

 楼主| 发表于 2016-3-20 15:56:14 | 显示全部楼层
  开普勒认识到,要维持行星沿椭圆轨道运动,必定有某种力在起作用,他认为这种力类似磁力,距离越远,这种力的强度越小。开普勒曾企图用磁力机制解释椭圆轨道的产生。他还以月球与海水间的磁性吸引解释潮汐现象——老天爷,这真是一颗让人羡慕嫉妒恨的脑袋!他是怎么想到的?
  1634,勒奈笛卡尔(法国伟大的哲学家、物理学家、数学家、生理学家。解析几何的创始人。17世纪的欧洲哲学界和科学界最有影响的巨匠之一,被誉为“近代科学的始祖”,就算你和他不熟,他的“我思故我在”你也应该很熟)在《论世界》中提出物体运动的三条法则:一是如果不与其他物体发生碰撞,物体将保持运动的起始状态;二是宇宙间运动量总和是常数,冲撞的物体运动总量是守恒的(this is 大名鼎鼎的动量守恒定律);三是物体若不受外力作用,将沿直线匀速运动。笛卡尔还认为太阳的周围有巨大的漩涡,带动着行星不断运转——我总感觉这和后来爱因斯坦的弯曲时空有点相像。
  1645年,法国天文学家布里阿德提出一个假设:“开普勒力的减少,和离太阳的距离的平方成反比”。这是第一次提出平方反比关系的思想。
  1659年,惠更斯(荷兰天文学家、数学家,史上最著名的物理学家之一,介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱,在力学、光学、数学、天文学方面都有卓越成就)从研究摆的运动中发现,保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。胡克等人认为那是引力,并且试图推导引力和距离的关系。
  1661 年,英国皇家学会成立了一个专门委员会研究重力问题。成员也是些牛人:
  胡克:天才,英国博物学家、发明家、科学家、建筑学家,后来人们还发现他还可以做个画家。他首次用显微镜看到并命名细胞;发现双星;首次测量恒星的视差;发明的N多东西现在还在用,如车辆传动轴的万向节、钟表的游丝、相机的可变光圈等等。胡克定律记得不:F=kx
  雷恩:数学家、天文学家、英国著名建筑师,伦敦标志性建筑圣保罗大教堂出自他手。
  哈雷:著名天文学家、数学家,哈雷彗星以他的名字命名。
  他们在引力问题的研究上都曾做出过贡献。据说早在1661年,胡克就觉察到,引力和地球上物体的重力应该是有着同样的本质。
  1664年,胡克发现彗星靠近太阳时轨道弯曲是因为太阳引力作用的结果。
  1673年,惠更斯推导出向心力定律。
  1674年,胡克在题为“证明地球周年运动的尝试”的演讲中提出,要在一致的力学原则的基础上建立一个宇宙学说,为此提出了以下三个假设:
  第一,据观察,一切天体都具有倾向其中心的吸引力,它不仅吸引其本身各部分,还吸引其作用范围内的其他天体。太阳、月亮、地球以及其他行星都在互相影响。
  第二,凡是正在作简单直线运动的任何天体,在没有受到其他作用力使其改变运动轨迹之前,它将继续保持直线运动不变。
  第三,受到吸引力作用的物体,越靠近吸引中心,其吸引力也越大。一旦知道了为什么会这样,就很容易解决天体运动的规律了。
  1679年,胡克和哈雷从向心力定律和开普勒第三定律,推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。后来科学史家发现,胡克距离发现万有引力定律只有一步之遥,只是在数学计算上没取得成功——他不会微积分。当时他和牛顿之间还进行了万有引力定律发明权的持久争夺战。

 楼主| 发表于 2016-3-20 15:57:41 | 显示全部楼层
  我们发现,万有引力到这里已初现雏形,如果它是苹果引发的,那至少需要一筐苹果,纷纷砸向这些可爱的天才。
  万有引力不是牛顿一个人的独立发现,而是历史上若干人的研究逐步探索、积累的结果。
牛顿的高明之处,在于他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。

我们知道,牛顿同志不仅是世界上影响力最大的科学家,还是史上最伟大的数学家之一。他创立的微积分,是最伟大的数学成就之一,它实在是太重要太好用了,以至于它一出世,科学、工程学甚至经济学等各个领域,都争先恐后地患上了微积分依赖症。提篮小卖拾煤渣,挑水担柴都靠它,里里外外一把手,哼哈哼哈哼哼哈。微积分这东西说起来十分的枯燥,但它实在是一个重磅成果,如果不窥视一下,简直就是去敦煌不看石窟,入洞房无视新娘,太对不起它的万丈光芒了!现在,让我们一咬牙一跺脚,来看一下,微积分大致是怎么回事。

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