如何利用万有引力定律发现恒星?相对论如何弥补引力的不足?

万有引力定律的发现是牛顿一生中最伟大的贡献之一,关于牛顿发现万有引力的故事有很多不同的版本,但这并不重要。重要的是万有引力定律是正确的。

你怎么知道万有引力定律是正确的?牛顿发现万有引力定律后,已经通过地月试验的方式得到了验证。什么是地月巡视?简单来说,月球在地球引力范围内,受地球引力影响。在这一点上,月球与地球表面的任何物体没有区别。在地球表面,物体从天上掉下来,会有一个加速度,月球也有一个指向地球的加速度。根据计算,月球的加速度是地球表面物体加速度的1/3600。把万有引力公式和牛顿第二定律结合起来,我们可以发现,月球表面的物体和地球的唯一区别就是距离地球的远近。

地球表面物体到地心的距离是6400公里,而月球的轨道半径是38万公里,是地球表面物体的60倍。

将地球表面物体和月球的半径分别代入牛顿第二定律,计算出的结果是1/3600,于是牛顿通过计算从理论上验证了万有引力定律的正确性。当然,一个理论要想完全让人信服,只有数据和理论是不够的,还需要在现实中得到验证,于是天文学家开始将万有引力定律应用到天文观测中,成果显著。

根据以往的天文观测记录,在1531年、1607年和1682年,人类分别观测到了一颗彗星,有趣的是,这三颗彗星的轨道完全相同。牛顿的朋友哈雷根据牛顿万有引力定律思考了这个问题,并计算出了微扰现象。所谓摄动,就是彗星轨道上的天体对彗星的引力作用。

哈雷计算后发现,1531、1607、1682中出现的三颗卫星其实是一样的。哈雷据此预测这颗彗星的回归周期约为75至76年,并预测了下一颗彗星的时间。

哈雷的计算和预测是准确的。可惜他没有看到彗星回归的那一刻,因为哈雷在那之前就去世了。后来,为了纪念哈雷,人们把这颗彗星命名为哈雷彗星。哈雷彗星之所以如此著名,是因为哈雷彗星是人一生中唯一能看到两次的彗星。万有引力定律不仅可以应用于彗星的发现,也可以应用于行星的发现。目前,我们太阳系有八颗行星,但并不是所有的行星都是通过观测发现的。通过观测发现的行星只有7颗。观测发现的最后一颗行星是天王星,由英国天文学家赫歇尔发现。

当人们计算天王星的轨道时,发现牛顿定律计算的数据与实际观测数据存在偏差。偏差在2分左右,曾经是60分。

牛顿定律经过了时间的检验,应该是正确的,观察也不会错。那么问题出在哪里呢?一个大胆的假设出现了,那就是天王星外侧有一颗行星。这颗行星的引力对天王星的运行有影响,所以会有偏差。最终在1845年,法国天文学家勒维尔通过计算找到了这颗行星在天王星外侧的确切位置。后来的观察证明他的计算完全正确。有趣的是,人们在天王星外发现海王星后,发现海王星的轨道也发生了偏离。借鉴上一次的经验,人们很快认为海王星之外还有一颗行星,于是又找到了冥王星。冥王星自己可能也没有想到,作为最后一颗被发现的行星,它有一天会被踢出行星的行列。

万有引力定律虽然贡献突出,但本身并不完美。现在我们知道万有引力定律只是宏观低速环境下的一个特例,所以它的缺点迟早会出现。

?最后,在计算水星的岁差时,问题出现了。水星是离太阳最近的行星。与其他行星不同,它的轨道方向会改变。它的近日点和远日点并不总是在同一位置。这是水星的岁差。或者勒维尔,他计算出水星的岁差速度是每100年38秒,曾经是3600秒。可惜这个计算结果是错误的,与实际情况不符。最后这个问题被爱因斯坦解决了,他提出了广义相对论,把引力的本质描述为时空的弯曲。根据相对论公式,水星的岁差值为每100年43秒,答案正确。后来相对论预言的现象被一一验证。比如引力透镜效应就是典型的一个。大质量天体周围的时空会发生弯曲,光线经过附近区域时会改变方向。事实确实如此。