牛顿第三定律内容表述
伽利略离世之后,艾萨克·牛顿来到了这个世界。作为一个遗腹子,牛顿的命运显得有些孤独和沉默。从小生活在母亲和外婆的庇护下,他性格内向,鲜少言语。他却与大自然有着特殊的亲密关系,可以说他是大自然的儿子。正是在大自然的怀抱中,自然哲学的数学原理开始悄然显现。
提到牛顿的故事,许多人可能首先想到的是关于苹果砸中他脑袋而引发万有引力定律的启示。然而实际上,牛顿力学完全建立在了缜密的数学分析基础上。在1665年,为了躲避伦敦的大,牛顿离开了剑桥大学三一学院返回家中。当时,亚里士多德的理论体系已经崩溃,新的理论体系尚未建立。在闲暇之余,牛顿重新沉浸在欧几里得的《几何原本》中,被其中缜密的数理逻辑所吸引。如果说笛卡尔实现了时间的几何化,那么牛顿则是实现了力学的几何化。
通过一系列实验研究,牛顿逐渐揭示了物体运动的规律。他发现,在没有外力作用的情况下,物体的运动轨迹是直线;若想维持圆周运动,则必须有指向圆心的向心力。水平抛出的物体会按照抛物线轨迹运动。似乎一切物体的运动轨迹都与受力状态紧密相关。在外力作用下,物体的运动速度和位置都在不断变化,如何精确描述这种变化过程呢?
经过深思熟虑和细致分析,牛顿找到了答案。他通过微积分这一强大的数学工具,发现了万有引力定律:任意两个有一定质量的物体之间都存在相互吸引力,引力的大小与两个物体的质量乘积成正比,与两个物体距离的平方成反比。这一公式对于我们今天的人来说已经耳熟能详,但背后的故事却鲜为人知。
在牛顿的时代,人们普遍认为重力和质量是同一概念,且似乎是永恒不变的。没有飞行器能够升到太空去感受重力的变化,也没有工具能准确测量两个常见物体之间的引力大小。甚至连牛顿本人也无法确定万有引力常数G的具体数值。那么,万有引力定律的意义何在呢?
值得一提的是,微积分只是牛顿力学的数学原理,而真正的自然哲学基础则是牛顿三定律。在牛顿眼中,这才是自然界一切运动的基本法则。对于亚里士多德的错误观点,不同科学家给出了不同的解读。而牛顿则直接瞄准了亚里士多德的“目的因”理论。亚里士多德认为万物为了达成完美而主动运动,但牛顿认为物体的运动是被动承受了外力的作用。物体如同浪里浮萍一般,不能主动安排自己的命运,只能在外力作用下“随波逐流”。当物体失去外力或合力为0时,它会保持原有的运动状态不变,要么保持匀速直线运动,要么保持静止状态。这就是被称作惯性定律的牛顿第一运动定律。
进一步地,牛顿探讨了物体间的相互作用。当物体在力的作用下改变运动状态时,它也会影响和改变环境中其他物体的运动状态。当我们推拉任何一个物体时,都会感受到反方向的作用力。而且力越大,反作用力也越大。当两个物体相互吸引或撞击时,它们的运动状态都会发生反方向的改变。根据这些现象,我们可以得出结论:任意两个物体之间的作用力都是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。
牛顿三定律是支配一切物体运动的基本法则,也是万有引力定律的基础。无论是运行还是机械运动,都遵循这一规律。面对这一简洁明快的三定律,我们不禁要追问其背后的原因,这就涉及到牛顿的时空观了。