除了牛顿，还有这些人为万有引力做出了贡献

提到万有引力，你是不是会立马想到牛顿以及那颗大名鼎鼎的苹果？不过，万有引力的发现可不是牛顿一人的功劳，牛顿之前就已经有很多科学家对“引力”问题进行了探讨。今天，我们就一起聊聊万有引力是怎么被发现的。

“引力”的概念并非牛顿首创

引力的概念以及与引力相关的实验其实早在牛顿之前就已经出现了，很多参与其中的研究人员都是你上学时期在课本里经常见到的老熟人，比如说开普勒。

开普勒也研究过引力，图片来源 Wikipedia

大家对开普勒的认识应该主要是他发现了行星三大运动定律（轨道定律、面积定律和周期定律），描述行星是如何按照一定的规律在其轨道上运行的。但事实上，开普特并没有止步于此，他在发现行星运动规律后，就开始尝试解释是什么力量让行星保持运动轨迹。

开普勒推测，行星环绕太阳做椭圆轨道运动是因为受到来自太阳的力，并且这个力随着行星与太阳距离的增加而减小。现在看来，开普勒的这个推测堪称神预测。不过开普勒的这个推测并没有形成理论，而且他忽略了惯性的存在，认为必须持续施加力，物体才能保持运动。

在开普勒研究行星运动规律的同时，物理学家惠更斯也进行了圆周运动实验，他的实验说起来并不复杂，就是在绳子一端拴上石块，研究石块绕着中心做圆周运动的规律。

惠更斯对圆周运动的研究影响了当时人们对引力的认识，图片来源 Wikipedia

惠更斯的研究卓有成效，他甚至已经提出维持圆周运动的力能提供多大的加速度，但他忽视了开普勒第二定律，没能将自己找到的公式与开普勒第二定律结合（牛顿就是这么做的），因而也未能在引力的探讨上更进一步。

此外，对引力感兴趣的科学家还有与牛顿同时代的胡克，他在《分析曲线运动的新方法》中率先提出物体的曲线运动可分解出惯性分量和向心分量两个分量，这个观点对牛顿的研究产生了一定的影响。胡克甚至大胆预测，太阳对行星的力与两者之间距离的平方成反比，这几乎已经是正确结论了（难怪胡克和牛顿就万有引力的发现权争执了很久）。

胡克与牛顿曾就万有引力的发现权争执不已，图片来源wikipedia

牛顿的万有引力公式

除了上述我们熟悉的名人对万有引力的探索，当时天文学上的各种突破也为万有引力的发现提供了基础，比如当时人们已经观测到行星运动的轨迹是椭圆形而非圆形，近地面的重力加速度也已经测出等等，这些都成了牛顿找出定量描述引力公式的基础。

牛顿对万有引力的探索是从开普勒的行星运行三定律开始了，他综合了数学、天文等各领域的最新发现，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中指出：宇宙中每个粒子都以一种力吸引其他粒子，这种力与它们的质量乘积成正比，与它们中心之间距离的平方成反比。

看看这个公式，有没有想起被物理支配的恐惧？图片来源wikipedia

此外，万有引力公式中的常数G，其数值牛顿并没有给出，而是在牛顿去世100多年后，由英国科学家卡文迪许在进行扭秤实验时测量得到。

卡文迪许也为完善万有引力做出了贡献，图片来源Wikipedia

万有引力的发现意义有多重要就不需要再强调了，解释潮汐现象、计算彗星轨道都离不开这一定律。但牛顿的万有引力定律并不是完美的，还有一些小问题，其中最为为人熟知的就是水星轨道进动的问题，按照牛顿的万有引力公式计算出的水星运行轨道与实际观测情况存在偏差，虽然偏差不大，但仍然让不少研究人员对万有引力的准确性产生了质疑。

牛顿之后对万有引力的探索

为了解释水星运行轨道的小小偏差，很多学者提出了自己的假设，比如天文学家奥本·勒维耶，他就认为是火星影响了水星的轨道，但经过反复观察并未找到相关证据。

勒维耶推测火星影响了水星的规定，图片来源 wikipedia

直到1915年，爱因斯坦的广义相对论问世，全新的引力理论随之诞生并精准预测了水星的轨道。在广义相对论的理论体系下，粒子的运动轨迹是由时空的几何形状决定的，引力是时空弯曲的一种表现，是一个由时空曲率产生的虚拟的力。

由于时空被太阳扭曲，地球进行的是曲线运动，图片来源 zientzia

同时，广义相对论还预言了引力波的存在。于是在此后的很长一段时间内，不少研究人员都致力于找到引力波，1974年，天体物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯发现了一种新型脉冲星，其轨道衰减的测量结果间接证实了引力波的存在；2002年，激光干涉引力波天文台建成并开始全力寻找引力波存在的证据，在经过几次引力波误报风波后，终于在2016年探测到了引力波的存在。

那现在我们对引力足够了解了吗？其实并没有，还有很多问题没有答案。最大的问题就是广义相对论与量子场论难以兼容，科学家们提出了不少理论假设，但都难以完美解释所有问题，显然想完全了解引力的本质还需要更多的探索。

审核专家： 罗会仟，中科院物理所副研究员。