萬有引力的發現過程及其地位作用

 

 

 

 

 

萬有引力（稱為引力、重力）是任何有質量的物體之間的一種吸引

力。兩個物體之間引力大小與兩個物體質量的乘積成正比，與兩個物體的

距離平方成反比。萬有引力作用方向在兩個物體質心的連線上。也就是

說，兩個質點之間的萬有引力大小與它們質量的乘積成正比，與它們之間

距離的平方成反比，方向在它們的連線上。

 

 

 

 

 

1 

牛頓是如何發現萬有引力的

 

 

 

 

 

物理學形成一門獨立的學科，並且成為整個自然科學的基礎，是從經

典力學開始的。在此之前，人類的文明史中雖有不少有關物理的、有價值

的創造和發現，但沒有形成完整的理論體系，也就是說，還沒有構成獨立

的物理學。

16

世紀以後，由於航海、戰爭和工業生產的需要，力學的研

究得到了迅速的發展。航海事業促進了天文觀測，天體執行的大量精確的

資料資料為揭示行星運動的規律奠定了基礎。

17

世紀，牛頓總結了以開

普勒、伽利略為代表的許多物理學家的研究成果，建立了牛頓運動定律和

萬有引力定律，標誌著經典力學的誕生。牛頓建立的力學體系經過伯努利

﹑朗日、達朗貝爾等人的推廣和完善，形成了系統的理論，得到了廣泛的

應用並進一步發展出了流體力學、彈性力學和分析力學等分支，使經典力

學成為自然科學中的主導和領先學科，由此我們可以看出，有關引力問題

的研究是物理學發展的一塊重要的基石。

 

 

 

 

 

萬有引力的發現，是

17

世紀自然科學最偉大的成果之一。它把地面

上的物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來，對以後物理學和天文

 

學的發展具有深遠的影響。它第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的

規律，使人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

 

 

 

 

 

兩個通常物體之間的萬有引力極其微小，我們察覺不到它，可以不予

考慮。比如，兩個質量都是

60

千克的人，相距

0.5

米間的萬有引力還不

足百萬分之一牛頓，而一隻螞蟻拖動細草梗的力竟是這個引力的

1000

倍！但是，天體系統中，由於天體的質量很大，萬有引力就起著決定性的

作用。在天體中質量還算很小的地球，對其他的物體的萬有引力已經具有

巨大的影響，它把人類、大氣和所有地面物體束縛在地球上，它使月球和

人造地球衛星繞地球旋轉而不離去。

 

 

 

 

 

重力，就是由於地面附近的物體受到地球的萬有引力而產生的。但是

需要注意的是，因為地球在自轉，除了在南極北極端點，在地球上任意一

點的物體，其重力並不等於萬有引力。此時可看作繞地球的向心力和重力

合成萬有引力。由於繞地球自轉的向心力遠小於重力，故一般就認為重力

就略等於萬有引力了，其實重力是略小於萬有引力的，只有在南北極物體

繞地球自轉的向心力為零時，重力才等於萬有引力。

 

 

 

 

 

現在我認為，物質之間可以相互發出有引力線。引力線也是質量存在

的一種形式。引力場或引力線也有質量。引力場有一定強度，有的大、有

的小。我們似乎可以計算引力場的質量大小。基本可以這樣認為，空間引

力場質量的大小，在引力場強度一定時，與空間體積的大小成正比。與引

力場的強度成正比，應該是這樣吧？是不是這樣無所謂，不涉及這個問

題。暫時只研究，空間引力場質量的大小，在引力場強度一定時，與空間

體積的大小成正比。

 

 

 

 

 

一定質量的物質，發出的引力線或引力場的狀況如何呢？是不是，引

 

力線或引力場，從這個物質出發而終止於其它所有物質。或者說，引力線

或引力場，從這個物質出發而不考慮其它的任何物質，只是向前發出，永

無止境呢？這是兩種不同的情況。

 

 

 

 

 

如果是永無止境的向前運動，只是碰到物質時，便有作用力，既引

力。如果是這樣的，萬有引力效果，與我們現在所感覺的一樣，沒有什麼

差別。既，與引力線或引力場從物質出發，而終止於其它所有物質的萬有

引力效果，與不這樣假設是一樣的。

 

 

 

 

 

2 

愛因斯坦如何用相對論解釋萬有引力

 

 

 

 

 

狹義相對論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力

被認為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產生和到達是同時的。這

同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對牛頓的

萬有引力定律也要加以改造。

 

 

 

 

 

改造的關鍵來自厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質量和引

力質量相等，固此不論行星的質量多大多小，只要在某一時刻它們的空間

座標和速度都相同，那末它們的執行軌道都將永遠相同。這個結論啟發了

愛因斯坦設想：萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現，從而提出了

廣義相對論。

 

 

 

 

 

根據廣義相對論，空間、時間的彎曲結構決定於物質的能量密度、動

量密度在空間、時間中的分佈；而空間、時間的彎曲結構又反過來決定物

體的執行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲度很小情況下，廣義相對論

的結論同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的結論趨於一致；當引力較

強，空間、時間彎曲較大的隋況下，就有區別。不過這種區別常常很小，

難以在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現在，還只有四種實驗能檢驗

 

出這種區別。廣義相對論不僅對於天體的結構和演化的研究有重要意義，

對於研究宇宙的結構和演化也有重要意義。廣義相對論作為新的引力理論

得到了實踐的支援。愛因斯坦本人首先用它解釋了用牛頓引力理論不能完

全解釋的水星軌道近日點進動問題。接著，他計算了太陽引力場對星光的

彎曲，所得結果比牛頓引力理論的相應結果大一倍，但與後來天文觀測的

結果很接近。愛因斯坦在建立了現代引力理論後，又據此提出了新的宇宙

模型，這標誌著相對論宇宙學的誕生，也是現代宇宙學研究的開始。

20

世紀

60

年代，隨著中子星的發現、

3K

宇宙背景輻射的確認等一系列科學

上的重大進展，現代引力理論及在此基礎上建立起來的大爆炸宇宙模型得

到了普遍的接受。縱觀物理學發展的歷史，可以看出，從牛頓萬有引力定

律，到愛因斯坦廣義相對論，有關引力的理論，形成了物理學中理論發展

的一條鮮明的主線。它既是一個古老的課題，又是最現代前沿的領域；既

是物理理論最早建立的基礎，又是當今理論研究方興未艾的焦點之一。除

了在理論上的重要地位以外，在實踐中，萬有引力也有廣泛的應用。可以

說，一切發生在地球上的自然現象和人類所進行的各種生產活動，無一不

與萬有引力有關。特別是人造衛星的發射和利用，涉及到現代工生產、科

學研究、交通運輸、軍事偵察、無線電通訊，甚至深入到文化傳播、宣傳

等上層建築和人類生活的方方面面。從天文授時到大地測量，從重力探

礦、資源普查到氣象和潮汐預報，從宇宙探索、航天技術到電視轉播、全

球行動電話，其應用之廣，不勝列舉。萬有引力在物理學中所佔的重要地

位，由此可見一斑。

 

萬有引力定律在力學知識體系中有重要的地位:科學實驗證明，萬有引力定律不但適用於整個太陽系，而且適用於一切天體運動和宇宙中的所有物體。

它的確立使力學和天文學在理論上達到了相當完備的程度，同時也在生產和科學實驗中得到廣泛的應用和驗證。