02.03 牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

上一篇文章我簡單介紹了牛頓對力學所做的貢獻,其實核心就是牛頓的三定律:1、力不是維持物體運動的原因,力是改變物體運動狀態的原因,用通俗易懂話表達就是一個物體如果做運動直線運動不需要力,當一個力施加給一個做運動直線運動的物體,那麼這個物體速度就會變化。2、力產生加速度,公示表達就是F=ma,其中m是物體質量,a是加速度。3、力的作用是相互的。

牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

表面上這三個定律看起來是那麼的理所當然,所以不少網友表示牛頓做的貢獻也不過如此,但是我們仔細看第一條和第二條你就會發現,其實牛頓的打破了人類幾千年建立的一個直覺:一個物體如果沒有力的供給就會靜止。因為我把一個小推車往前一推後松後,由於沒有力的供給所以車會慢慢靜止。這非常符合我們的直覺對不對。所以牛頓其實是突破了這個直覺,建立了力和運動的真正關係。

牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

但是牛頓最大的成就並不是這三個定律,而是人們所熟知的“萬有引力”。在上一篇文章中我談到了“天文學的運動”和我們“地面上的運動”其實是兩個研究方向,人們從來沒有想到過天上的運動規律竟然會和地面上的規律是一致的。比如你抬頭仰望星空,一道流星劃過,如果你是一位思想家,你也許會思考這顆流星到底為什麼會這樣運動,此時你又發現地面有一個人往遠處扔了一個小球,小球走了一個拋物線運動,你又會思考這個小球是如何運動。但是你一定不會去想:天上的運動和地上的運動竟然是同一種類型的運動。

所以大家明白牛頓的偉大沒?牛頓之所以偉大,並不是因為他揭示了“力和運動”的關係,而是發現當時環境下萬事萬物的運動遵守一個規律“萬有引力”,貢獻在於“萬有”兩個字(這裡說明下,牛頓的時代還沒有進入微觀世界的研究,所以量子力學還沒發展起來,因為萬有引力並不適用於量子力學)。所以牛頓相當於是把力學江湖的各個門派給統一起來了,合併成了一個終極門派,一個萬有引力公式就揭示了萬事萬物的真理。

牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

藉由牛頓的運動三定律和萬有引力定律,基本上做到了上天入地無所不能的境地,所以當時科學家對牛頓豎起大拇指並對他徹底折服,甚至有物理學家直接斷言:牛頓力學就是宇宙的終極規律,物理學今後不會再有突破的進展,因為牛頓已經把物理規律完成了99%。

牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

不過令牛頓沒有想到的是,自己的力學竟然會被兩個理論所顛覆,第一個就是相對論,第二個就是量子力學。相對論的誕生更進一步的揭示了“引力”的本質,原來引力壓根不是力,只是時空彎曲造成的一種效果,所以牛頓力學的第一定律:一個物體如果不受力永遠保持靜止或勻速直線運動,這個定律就被顛覆了,因為廣義相對論裡面引力不再是力,所以地球其實並未受到太陽的萬有引力,但是地球仍然做了橢圓周運動,這說明一個物體不受力時未必會靜止或者做勻速直線運動,也可能做圓周運動。同時牛頓的第三定律也被顛覆了:力的作用總是相互的。當太陽消失時,按照牛頓的第三定律,由於太陽對地球的引力消失,那麼地球對太陽的引力也會消失,不過根據狹義相對論,由於引力不是力,所以當太陽消失瞬間,地球依然會繼續做橢圓運動,因為此時的時空彎曲程度還沒有改變,時空彎曲程度的傳遞是需要時間的,傳播的速度就是c,而這個傳遞的過程其實就是:引力波。所以太陽消失後,地球要過8分鐘才會開始做勻速直線運動,8分鐘內依然做橢圓運動,所以力的作用不總是相互的。

牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

再到後來量子力學的發展,在一個微觀世界裡面,已經不需要考慮受力問題了,加速度這個概念徹底被拋棄,所以牛頓的力學定律再次受到了顛覆。首先加速度已經不存在,所以牛頓第二定律F=ma基本歇菜,再次微觀粒子如果不受力將處於“平面波”狀態,也就是在某個局部範圍內任意位置出現的概率值相等,處於多個位置的疊加態,所以牛頓第一定律也歇菜了,就只剩下第三定律勉強能解釋微觀世界的一些現象。所以總結一句話:

牛頓是如何統一力學江湖,發現萬有引力的?

牛頓力學適用範圍:宏觀低速運動。

愛因斯坦相對論適用範圍:宏觀低速和高速運動

量子力學適用範圍:微觀低速和微觀高速

愛因斯坦的相對論和牛頓力學邏輯上是包含關係,但是量子力學和牛頓力學邏輯上卻是並列關係。

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