问题

为什么直到牛顿才提出引力理论?

回答
这个问题挺有意思的,为什么人类观察了千百年的天体运行,理解了那么多的数学和物理规律,偏偏是牛顿才把它们串联起来,给出了一个普适的引力理论?这背后其实有很多原因,就像一块拼图,需要各种形状和颜色的碎片都齐备了,才能拼出完整的图景。

首先,我们得承认,在牛顿之前,人类对宇宙的认知确实是进步的,尤其是天文观测。古希腊人比如托勒密,就发展了非常复杂的“本轮”和“均轮”模型来解释行星的运动。虽然这个模型后来被证明是错误的,但它背后体现了对几何学和天文观测的深刻理解,并且在那个时代非常实用,能够相当准确地预测天体位置。后来哥白尼的日心说,以及第谷·布拉赫的精细观测,还有开普勒的三个行星运动定律,这些都是非常关键的基石。开普勒定律用简洁的数学语言描述了行星椭圆轨道、面积定律和周期平方与轨道半长轴立方成正比的关系,这已经是描述“怎么动”的了,但“为什么动”的问题依然悬而未决。

那么,为什么这些前辈们没有想到引力呢?这里面有几个层面的原因。

1. 思维方式的局限性:

在牛顿之前,人们看待世界的方式,尤其是宇宙,和现在是完全不同的。亚里士多德的物理学在欧洲影响深远,他认为物体运动有两种:一种是自然的运动,比如石头落地,这是物体回归其“自然之地”的倾向;另一种是强制的运动,需要外力维持,比如推一个箱子。天体运动更是被认为是另一种性质的运动,由某种“天上的动力”或者说是“完美、不变”的规律支配,与地面上的物体运动完全不同。这种“天地之别”的观念,就像一道无形的墙,阻碍了人们将地面物体的运动规律推广到天上。

即使是哥白尼,虽然提出了日心说,将地球也看作一颗行星,但他的理论更多的是一种几何学上的简化和一种对宇宙结构的想象,并没有深入探讨是什么力量让行星围绕太阳转动。开普勒在研究行星运动时,也曾朦胧地想到太阳发出的某种“力”在起作用,但他的描述比较模糊,而且更多地集中在数学描述上。

2. 物理直觉的误导:

我们日常的物理直觉常常会误导我们。当我们推一个东西,停止推它,它就停了。在我们看来,似乎运动需要持续的力来维持。而“静止”是自然的常态。这种直觉让人们很难理解,为什么行星可以不停地运动,而且速度还会变化。如果没有一个持续施加的力,为什么它们不就直线飞出去或者停下来呢?这种对惯性的不理解,是早期物理学的一大障碍。牛顿的第一个惯性定律,就是打破这种直觉的关键一步。

3. 测量和计算工具的限制:

虽然古代就有非常精确的天文观测,但要将这些观测数据和地面上的物理实验联系起来,需要足够高的精度和复杂的计算能力。牛顿能够通过开普勒定律,反推出引力与距离平方成反比的关系,这本身就需要高超的数学功底和对数据的敏锐分析。比如,他需要计算月球绕地球运动的角速度和向心加速度,然后和地面上物体自由落体加速度进行比较。如果没有精确的测量数据和强大的数学工具,这种理论的提出和验证都是不可能的。

4. 数学工具的成熟:

牛顿能够提出他的万有引力理论,离不开数学上的突破。他本人创立了微积分,这为他分析天体运动中的速度变化、加速度等提供了强大的工具。如果没有微积分,要精确地描述和计算像行星运动这样的连续变化过程,将是极其困难的。在牛顿之前,虽然有几何学,但对于处理连续变化和无穷小量的数学方法还不够成熟。

5. 牛顿本人的天才和洞察力:

当然,我们不能忽视牛顿个人的天才。他不是简单地继承前人的知识,而是有能力将所有已有的碎片——从开普勒的行星运动定律到伽利略对落体运动的研究,甚至是对光和颜色的研究——整合到一个统一的框架下。据说那个著名的“苹果落地”的故事,虽然可能有些夸张,但确实象征着他那种“举一反三”的洞察力:地上的苹果受到的引力,和月球受到的引力,很可能是同一种力量。他敢于挑战当时的权威思想,用一种统一的解释来描述整个宇宙的运行。

简单来说,在牛顿之前:

人们的思维模式和世界观是不同的: 天上和地下的规则被认为是不同的。
物理直觉是误导性的: 运动需要力来维持,静止是自然状态。
数学和物理工具不够成熟: 缺乏精确的测量、计算方法和分析工具(尤其是微积分)。
没有将观察到的现象归结为同一个原因的洞察力: 尽管有很精确的天文观测,但没有将其与地面上的力联系起来。

牛顿的伟大之处,就在于他打破了这些壁垒。他提出了惯性定律,宣告了“运动是物体的自然状态,除非有外力作用”,这改变了人们对运动的基本认知。他将力学从地面推向天空,用同一个“万有引力”的概念解释了苹果的下落和月亮的公转,以及行星围绕太阳的运动。他的理论不仅解释了为什么行星会这样运动(比如开普勒定律的背后原因),还能够预测天体的运行,甚至预言了海王星等尚未被发现的天体的存在。这种统一性、解释力和预测力,是前所未有的。

所以,牛顿提出引力理论,不是因为之前没人思考过,而是因为只有当这些关键的“拼图碎片”——精确的观测数据、成熟的数学工具、颠覆性的物理概念(如惯性),以及牛顿本人的非凡洞察力——全部汇聚在一起时,才有可能拼出那幅宏伟的“万有引力”图景。

网友意见

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我觉得,这个提问之后其实隐含了一个陈旧的科学史的叙事逻辑,那就是:中世纪的多数人认为地球是平面,所以这时候没人思考“万有引力”。然后少数人认可“地球说”(哥伦布的叙事乱入),但是被往往认为是荒谬的,因为“地球反面的人会掉到太空之中”。后来牛顿发现“万有引力”,令这个问题得到解决。

然而在实际历史当中,在中世纪之前的古典晚期,古希腊天文学就已然普遍认为了大地是静止的“球”,但不会自转。地球上的各种事物按照自己的“自然倾向”朝向地心,所以一切地上的事物都能贴在地表上。这种学说一直流行于中世纪。

这个观念直到哥白尼提出日心说之后,又重新成为了一个问题,因为日心说中的地球是运动的(公转兼自转),这时候就要回答为什么地表的事物没有被甩出去。

就我所知,牛顿实际上也没有从现代的天体物理角度去解释“引力”本身的性质,他认为实际上是上帝用某种力量把宇宙给锁在一起的,最终相互抵消,相互牵制成为一个平衡态。如果从现在人的角度来看,他应该算是给出了一个比较好的数学模型或者猜想……而已。

至于远距离作用力并不难想象到,因为当时已然观测到了磁力现象,所以牛顿认为磁力就说明了某种远距离力量的可能。他反对以太说,倒也不是因为掌握了现代物理。

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因为是牛顿“发明”了引力,而非“发现”。


四大基本力中,引力是最难与其它三个力统一的。因为它本质上不是一种“力”。


广义相对论实际上证明了引力不是力。并不是有质量的物体之间会产生引力,而是质量会弯曲周围的空间,从而改变靠近物体的运行轨迹,质量越大,这种空间弯曲就越大。


比如一个沿着平面做直线运动的球体,前面出现一个巨大的球体,把平面砸了一个半球型的坑。之前的小球体不会直接越过这个坑,而是会从平面进入“曲面”,沿着坑壁围绕大球体转动。


但是万有引力定律依然是力学的基石,因为它对人所认知的运动现象拟合度极高,依然具有极高的实用价值。


牛顿其实是用自己发明出来的一套认知模型高精度拟合了运动,而不是发现了运动本身。


但是反过来讲广义相对论是不是世界本身呢?终究相对论和量子力学还无法统一在一起,弦理论还做不到,还需发展。也许有一天一种大一统理论又同时颠覆了相对论和量子力学,而被寄予厚望的弦理论则被扔到了故纸堆里。谁知道呢?


这其实就是自然科学的真谛:自然科学是人所认知的世界,而非世界本身,被人的认知模式所决定,不存在脱离人的认知的自然科学。

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就算放到现在,你去问100个没有受过现代教育的人“放开手后,东西为什么向下落而不向上飞?”,如果有任何一个人的状态是眉头紧锁若有所思、而不是哈哈大笑骂你智障,请告诉我,我愿意赌一百块钱。

经验这种东西太可怕了。在亿万年的进化中,我们靠着经验存活至今,副作用就是我们几无可能跳出经验来看问题。

试问除了牛顿,全世界有哪一个文明有人思考过“东西为什么会往下落”这种最经验的问题?

伟大如亚里士多德这种人物,也只是局限于“物体往前动是因为一直在受力”、“重的东西落得更快”这些现在初中生都会明显指出错误的问题之中。

我认为牛顿、爱因斯坦他们最伟大之处就是打破了经验告诉我们的“最常规最正确最不用去质疑的问题”。

如果没有爱因斯坦,我个人认为相对论的发现要往后推迟一二百年甚至更长。(尤为难能可贵令人惊讶的一点是,与教科书描述的不同,爱因斯坦1905年提出狭义相对论的时候似乎并不知道迈克尔逊莫雷实验否定了以太的存在。)

但是量子力学不同。没有普朗克引起的量子变革,最迟不过二三十年,就会有另外的人提出相似的理论。

读者可能会疑惑了,量子物理不是一直以反直觉反经验著称吗?其实,量子力学的每一步都是数学先行的,提出刚开始毫无逻辑支撑的数学表达式(最典型的例子是普朗克的黑体辐射公式和薛定谔方程),连提出者都毫无信心。这不叫反经验,因为这里根本就没有先前的固有经验存在。(所谓的世界“只允许连续不允许间断”这种经验本身就不是一个非常坚固的经验)

按照量子领域数学先行、一贯靠猜的惯例,狭义相对论更有可能是被这样发现的:薛定谔方程被自然而然的量子场化来描述粒子之间的相互作用,但是并不能解释实验发现的反粒子,进而狄拉克方程被“猜”出,人们研究狄拉克方程归纳出了洛伦兹不变性,得到狭义相对论。这可能是外星物理的发展历程。(在地球上的情况是,由于爱因斯坦的存在,狭义相对论先被提出,薛定谔方程与其兼容的结果导致了狄拉克方程)。至于广义相对论,沿着量子物理的发展历程,我看不出有哪一步可以导出广义相对论。没有爱因斯坦,牛顿的万有引力定律或许至今还是最准确的引力理论,或许当今的一个研究热点就变成了“如何将万有引力定律与狭义相对论兼容”。。。

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