《费曼物理学讲义》中的智慧(4)

百科   2024-08-26 11:52   广东  

11 万有引力理论遇到的两次考验


第1卷7-5节介绍万有引力能使人们理解哪些事情,万有引力理论有多么成功。


我们都知道,政治、军事或商业上的成功,常常要经历风险。科学理论的成功也是如此,也要经历风险和考验,但是大部分教科书不会向我们传达这一点。


费曼在介绍万有引力理论取得的成功时,解释了它遇到的两次危险或考验。


第一次,是天文学家罗默对木星卫星的观测。罗默发现,木星卫星有时候出现得比时刻表提前一点,有时候又滞后一点。当木星离地球较近时,卫星的出现会提前,当木星离地球较远时,卫星的出现会滞后。为什么会这样?


费曼指出:根据万有引力定律来解释这一现象极为困难——实际上,如果不存在别的解释,这一发现会宣判这一美妙理论的死亡。只要一个定律在一处它本应起作用的地方不奏效,那它就是错的。(This would have beena very difficult thing to explain according to the law of gravitation—it wouldhave been, in fact, the death of this wonderful theory if there were no other explanation. If a law does not work even in one place where it ought to, it is just wrong.)


第二次,是对天王星运动的详细分析。假如行星只受到太阳的引力,那么行星运行轨道会是严格的椭圆。但是,如果引力存在于所有物体之间,那么,每一颗行星不但受到来自太阳的引力,而且还受到来自其它行星的引力。这样,行星的运动会比椭圆要复杂(也就是,开普勒第一定律是错的,只是近似正确)。实际情况是这样吗?对木星,土星,天王星的详细观测发现,它们的轨道确实比椭圆要复杂。那么,把来自它行星的引力考虑进来后,它们的运动与根据万有引力定律做出的预测(计算非常难),符合吗?


发现,对木星和土星,符合。但是,对天王星,不符合。


费曼说:所以,引力定律面临被推翻的危险,不能排除这种可能性。(so the laws of gravitation were in danger of being overturned,a possibility that could not be ruled out.)


当然,万有引力定律在这两次重大危机中,存活了下来。费曼让我们认识到,每一个存活至今的科学理论,都曾经历了多么严酷的重重考验。我们还会想到,它们今后仍然会遇到新的危险,它们那时候……


12 万有引力起作用的范围


万有引力是在太阳系内发现的,它能够解释太阳系内的许多现象:地球、月球和太阳的形状,月球、木星卫星和各行星的运行,地面物体的重力,潮汐,还有彗星(老贾注:费曼没有提到彗星)。


太阳系在宇宙中,只是微不足道的一小点。费曼向我们强调了,天文观察表明,万有引力定律,在太阳系之外,在比太阳系大得多的尺度上,都在起作用。


费曼这样总结:所以,星系穿越如此大的距离互相吸引,聚集成星系团。万有引力可能在大到1千万光年的距离上都存在……(老贾注:太阳系的直径约为1光年)。(Thus galaxies attract each other at such distances thatthey too are agglomerated into clusters. Perhaps gravitation exists even overdistances of tens of millions of light years…)


图7-6与图7-7是双星系统,两颗恒星通过万有引力作用形成一个系统


图7-8是球状星团,许多恒星通过万有引力作用聚集在一起


图7-9是某个星系,也是许多恒星聚集在一起


图7-10是星系团,由星系聚集而成


(11和12,出于第1卷7-5节)


13 卡文迪许的“称量地球”实验


这个实验太有名。它的意义有三个方面:


(1)用小物体验证万有引力定律。因为牛顿导出万有引力的依据,要么是天体与天体之间,要么是天体与小物体(地球与地面的物体)之间。


(2)测量万有引力常数。牛顿只能说出,万有引力与两个物体质量乘积成正比,与距离平方成反比,但是比例常数的精确值是多少,牛顿不知道。(老贾注:牛顿估计了地球的平均密度,进而估计出地球质量,进而估计出万有引力常数。我记得,牛顿的估计值与真实值存在大约20%的偏差。我觉得他挺厉害的了!)


(3)测量地球质量。一旦测量出万有引力常数,立即可以算出地球质量。这也就相当于测量出了地球质量。


费曼对卡文迪许实验加的一句评论,我觉得很有价值:要想测定地球的质量,这是唯一的方法。( This is the only way in which the mass of the earth can be determined.)


因为,用某种方法做成某件事,与做成某件事只有这一种方法,是有区别的。


一般的教科书上,不会像费曼一样,清楚地指出这一点。


也许其他作者心里知道这一点,只是没有写出来?那他们就做得不好。如果一个人介绍完杜甫,却没指出他是唐代最伟大的诗人,介绍完杨玉环,却没指出她是绝世美女(能让“三千宠爱在一身”),能认为他的介绍及格吗?


也许其它作者心里隐约认为,那是“唯一”的方法,但是在书上写出来,心里就会打鼓:万一还有其它的方法,只是自己不知道呢?究竟唯不唯一,还是不提为妙。这样做当然是安全了,但写出来的玩意,也就什么玩意也不是了。



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