《星空的琴弦：09牛顿的天体力学》歌词

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[00:00:04] 欢迎收听科学有故事

[00:00:09] 比科学故事更重要的是科学

[00:00:33] 各位让大家久等了啊

[00:00:36] 今天继续为大家讲仰望星空

[00:00:38] 天文学史话这个专辑的牛顿的天体力学

[00:00:43] 那么

[00:00:43] 在以哥白尼开普勒伽利略为首的这一帮子天文学家的努力下

[00:00:48] 人类对宇宙的认识终于呢

[00:00:51] 向着正确的方向迈进了一大步

[00:00:54] 到了17 世纪中叶的时候

[00:00:56] 大多数知识分子的头脑中都已经建立起了这样的一幅宇宙图像这幅图像是这样子的太阳位于宇宙的中心

[00:01:06] 地球连同其他五颗行星在椭圆形的轨道上围绕着太阳转行星呢

[00:01:12] 就按照距离太阳由近到远依次是水星

[00:01:17] 金星

[00:01:17] 地球火星木星和土星在土星外面呢

[00:01:22] 极为遥远的地方还有一个恒星城所有的恒星都位于这个恒星城中恒星与太阳的相对位置是固定不变的

[00:01:33] 这样的衣服宇宙图像被广大知识分子们所接受支撑这幅图像的证据也就越来越充分

[00:01:41] 然而20 00多年来却始终有一个基本的不能再基本的问题困扰着人们这个问题在亚里斯多德时代就不断的被平民老百姓们啊

[00:01:51] 当然也是包括很多学者就被他们问道

[00:01:55] 呃

[00:01:55] 这个问题就是这样子的

[00:01:56] 如果地球是一个球体

[00:01:59] 那么为什么下面的人不会掉下去呢啊

[00:02:03] 这个问题所有的学者都说不清楚

[00:02:06] 各种各样的解释也是五花八门的古希腊的那个大学者亚里士多德曾经一度呢

[00:02:13] 就把这个问题解释的差不多

[00:02:15] 就要让人们信服了

[00:02:17] 他是这样子解释的

[00:02:19] 他就认为这个宇宙中的一切物体啊

[00:02:22] 都有天然的趋向于地形运动的趋势

[00:02:25] 他说这是宇宙的基本法则

[00:02:28] 所以呢

[00:02:29] 在这个法则下面勿抛起来的物体

[00:02:32] 不论抛多高

[00:02:33] 最后总要落回地面的

[00:02:36] 人们不论是站在地球的什么地方

[00:02:39] 这个双脚也总是趋向于地心运动的

[00:02:43] 因而人们就会牢牢地站在地面上了不会掉下去

[00:02:48] 也正是因为这个原因

[00:02:49] 所以地球呢

[00:02:50] 就会收缩为一个球体使得所有地面上的物体到地心的距离都是最短的

[00:02:57] 这个解释呢

[00:02:58] 又正好与托勒密提出的地球是宇宙中心的这个观点是互为印证的

[00:03:04] 于是在亚里斯多德之后的1500 多年中

[00:03:08] 人们都几乎要想通了

[00:03:10] 地球是圆的

[00:03:11] 这样子的一个概念

[00:03:13] 但是随着哥白尼的日心说越来越被人们接受这个老问题又被重新问急了

[00:03:19] 人们的脑子呢

[00:03:20] 又开始变得混乱了

[00:03:22] 首先啊

[00:03:23] 地球是圆的

[00:03:24] 这一点

[00:03:25] 在当时呢

[00:03:26] 已经是没有人怀疑了

[00:03:27] 因为有太多的证据早已经把地球的形状是做成铁案了

[00:03:32] 但问题是

[00:03:32] 如果雅力士多德是错的地心不是宇宙的中心

[00:03:37] 那又该如何解释

[00:03:38] 人可以双脚站在球体上的任何一个位置呢

[00:03:43] 在英国的林肯郡乌尔索普村的一个庄园中有一位23 岁的年轻人坐在苹果树下思索着这个古老的问题

[00:03:54] 那一年是公元1665 年青年的名字叫做艾萨克

[00:03:59] 牛顿这个名字日后将响彻整个世界

[00:04:03] 毫无疑问

[00:04:05] 牛顿是一个超级牛人

[00:04:07] 但是牛顿这个人到底有多牛

[00:04:09] 或许你对此认识的还真是不够深刻

[00:04:12] 我忍不住呢

[00:04:13] 就要说几句题外话了

[00:04:15] 据后世的学者充分的考据

[00:04:18] 牛顿是这样分配他的一生的时间的你听好了啊

[00:04:21] 1/3 用来研究**的年代学1/3 用来研究炼金术在剩余的1/3 的时间才用来顺便研究一下物理数学天文等自然科学

[00:04:36] 婷婷啊

[00:04:36] 这就是牛顿你说这叫我们这些凡人情何以堪啊

[00:04:41] 牛顿呢

[00:04:42] 还是一个怪人

[00:04:43] 他心胸不广

[00:04:44] 气量偏小

[00:04:45] 不爱说话

[00:04:46] 喜欢记仇

[00:04:48] 他有一个冤家叫胡克年龄比牛顿大了八岁算是前辈也是当时英国大师级的科学家

[00:04:55] 并且胡克还掌管着英国皇家学会算是科学界里头的权威人士吧

[00:05:02] 但是这两人互相看不顺眼

[00:05:04] 牛顿有一句名人名言流传的很广说

[00:05:08] 之所以我比别人看得远是因为我站在巨人的肩膀上

[00:05:13] 后人呢

[00:05:13] 就往往引用牛顿的这句话来说明一个人应当谦虚

[00:05:17] 如牛顿

[00:05:19] 但实际上牛顿当时讲这句话只不过就是为了讽刺长得矮小驼背的胡克

[00:05:26] 牛顿把他那本原理的第三卷写得特别的数学化明显比前两圈要艰深难懂得多

[00:05:33] 牛顿他自己解释说

[00:05:34] 我这是为了让胡克看不懂那个老家伙数学不好

[00:05:38] 还对我的前两卷指手划脚的横挑鼻子竖挑眼的好了

[00:05:42] 这下我写一本

[00:05:43] 让他看不懂的看他还说什么

[00:05:45] 牛顿还写了一部专著叫光论他还特意要等到胡克去世后才发表

[00:05:51] 以免这个老头又说三道四的

[00:05:53] 你瞧瞧牛顿就是这么一个人

[00:05:56] 他用自己的一生诠释了人无完人

[00:05:59] 这个普遍规律

[00:06:01] 接下去我们就要讲的一则几乎人人都知道的关于牛顿的一个故事啊

[00:06:06] 这个故事就是说一个苹果突然砸到了牛顿的头上

[00:06:10] 于是它就像禅师一样动物了万有引力定律

[00:06:14] 这个故事呢

[00:06:15] 说实话是很浪漫的也挺适合当作故事讲给孩子们听也挺适合选入到这个小学生的课本中

[00:06:23] 但它的真实性是没有任何依据的听听也就算了

[00:06:27] 真实的思考过程

[00:06:28] 哪有那么简单呢

[00:06:30] 苹果一掉啊

[00:06:31] 顿悟了听起来像是禅宗的公案一样

[00:06:34] 哪这么简单呢

[00:06:35] 事实上

[00:06:36] 牛顿思考这个问题

[00:06:38] 用了很久的时间

[00:06:40] 下面我就要花一点时间来给大家讲一讲

[00:06:43] 当时牛顿真实的思考过程是怎样子的我这些呢

[00:06:47] 也都是有一些史料依据的啊

[00:06:49] 那么他呢

[00:06:50] 其实是从思考抛物体的运动来作为切入点的他是这样做思维实验的假设我自己站在一座高塔的顶上

[00:07:00] 然后我朝前方呢

[00:07:01] 就扔一块石头出去

[00:07:03] 那么石头就会以一根抛物线的轨迹掉落在地上

[00:07:07] 石头能扔得多远取决于石头出手时的初速度啊

[00:07:12] 通俗点说就是你用多大的力气把这个石头扔出去

[00:07:16] 这个牛顿呢

[00:07:17] 就在纸上画下了这样子的一幅图

[00:07:19] 也就是一个高塔上一个石头出手呈一条抛物线的轨迹掉落在地上

[00:07:26] 为什么会是这样的一种运动轨迹呢

[00:07:29] 牛顿

[00:07:29] 他找到了原因

[00:07:31] 因为十块同时具备两种运动一种运动是水平方向的有一定初速度的匀速直线运动

[00:07:38] 另一种运动呢

[00:07:39] 则是垂直下落的加速运动

[00:07:42] 现在把这两种运动合成在一起就会形成一根抛物线的运动轨迹啊

[00:07:49] 念过这个高中物理的同学应该都还记得这个抛物线是怎么形成的

[00:07:54] 想到这个程度

[00:07:56] 我认为并不算很厉害

[00:07:57] 伽利略也想到过这一层

[00:08:00] 但牛顿的厉害的地方就在于它的思考没有停下来

[00:08:04] 他继续想

[00:08:05] 如果水平初速度一直不断的增大下去会发生什么呢

[00:08:10] 因为地球是圆的

[00:08:12] 当时快扔的远到一定的程度超过了地球的一半的周长

[00:08:18] 那么这个十块

[00:08:20] 岂不是趋向于绕着地球转一圈

[00:08:22] 然后再回到原地吗啊这里呢

[00:08:25] 最好是画一幅图来说明呃

[00:08:27] 以后我写书的时候会画这样的一幅图

[00:08:30] 你一看就理解了牛顿在他的这个草稿纸上就反复画着草图

[00:08:35] 列出计算公式假设着各种各样的初始数据不停地演算着最终牛顿的计算结果表明

[00:08:44] 如果十块的水平

[00:08:46] 初速度超过一个临界值

[00:08:48] 那么这个十块将会一直绕着地球做匀速圆周运动

[00:08:53] 停也停不下来

[00:08:55] 而且呢

[00:08:55] 再也不可能掉回到地球上来了

[00:08:59] 并且牛顿还发现要维持这样的一种运动十块

[00:09:03] 必须始终受到来自地球的一个很稳定的均匀不变的

[00:09:08] 而且是可以隔空作用

[00:09:10] 一个力

[00:09:11] 这个力的指向是地球的