转帖： 《文盲正侃时间史第一部【物理正传】》

柳之心

　　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。

柳之心

　　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？

柳之心

　　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。

柳之心

　　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TV、AV、MV，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。

柳之心

　　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。

杨金峰

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。

杨金峰

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。  

柳之心

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。

柳之心

　　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。

柳之心

　　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。