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当我松开羽毛时,除了引力之外,它还受到其他的力。
当它开始下落,会受到周围空气产生的阻力。
由于铁更重,空气阻力对羽毛的减速效果就比铁要强。
一点小风对羽毛也会有很大的影响,而对铁块的干扰微乎其微。
因此,上述理论并不适用于我们周围的环境。
实际上,它描述的是物体在只受引力作用的情况下会发生什么。
也就是说,如果除了引力外没有其他任何作用力,物体就会以相同的加速度下落。
对这一命题的验证通常归功于伽利略(Galileo)。
传说1638年[1],他将两个不同质量的炮弹从比萨斜塔上扔下,人们发现,无论这两个炮弹成分如何,它们都以相同的速度落地[2]。
最近,阿波罗宇航员大卫·斯科特(DavidScott)得出相同的结论。
他站在月亮上,让一片羽毛和一把锤子同时落下,因为月亮上没有空气阻碍羽毛的运动,所以两个物体同时落在了月面上(见图1)。
今天,我们把这一现象称为“自由落体的普遍性”
(UyofFreeFall)。
接下来,我们将看到,它既是牛顿引力理论,又是爱因斯坦引力理论的关键。
图1 (a)伽利略从比萨斜塔扔下炮弹;(b)斯科特在月上同时松手让锤子和羽毛落下的画面
牛顿的引力理论
艾伊萨克·牛顿爵士(SirIsaa)的引力与运动的理论,最初于1687年集结成《自然哲学的数学原理》(PrincipiaMathematica)书发表,它永久地改变了世界。
这是关于引力的第一个真正的科学理论。
和亚里士多德不同,牛顿并未尝试解释引力,他量化了引力的效应。
由此,物体在地球上的运动、地球本身的运动和太阳系其他天体的运动的物理定律,都被推导出来了。
毫无疑问,牛顿理论是天才的成就,他开创了新的数学分支,并史无前例地提出:适用于人类、地球和天体的物理定律,都是相同的。
亚里士多德曾试图解释的复杂运动都被归结于简单的定律。
牛顿引力理论是辉煌的,在它被提出的两百年内,没有与之匹敌的理论。
只通过一本《原理》,牛顿就在科学、工业和战争的世界里掀起了革命。
此外,直到今日,他仍给我们的很多研究工作提供了框架。
牛顿引力定律最基本的要素是绝对时间和绝对空间,它们作为所有运动的“背景”
存在。
万有引力瞬时地在宇宙中任意一对有质量的物体之间传递——仅此而已。
牛顿眼里的空间和我们日常生活中体会到的空间一样,仅仅是物体存在的永恒不变的舞台。
我可以把一个物体X放在空间中的一点,然后用一把卷尺测出它和另一个物体Y之间的直线距离。
在牛顿力学中,这一过程没有任何模棱两可之处。
物体X和Y在空间中运动,但空间本身是静止的、不变的。
与之相似,牛顿的时间概念和我们与生俱来的对时间的直觉一样:一个瞬间接着另一个瞬间,不停息地向前流逝。
在一段时间内,物体可以改变它们的位置,但时间本身是普适的,对万事万物都一视同仁。
在牛顿的理论中,所有校准的时钟都以相同的方式测量时间,就像所有卷尺都以相同的方式测量两个物体之间的距离一样。
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