第一性原理：21堂科学通识课-电子书PDF/EPUB/MOBI/TXT

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第一性原理：21堂科学通识课-电子书PDF/EPUB/MOBI/TXT

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作者: [英]马库斯·乔恩(Marcus Chown)
出版社: 中国科学技术出版社
出品方: 中科书院
副标题: 21堂科学通识课
原作名: The One Thing You Need to Know: The Simple Way to Understand the Most Important Ideas in Science
译者: 周自恒
出版年: 2024-7

第1章

引力

每一个物体与其他物体之间都存在着相互吸引的力。

（飞行的）诀窍在于学会怎么把自己扔向地面但又不落地。

——道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）

引力是一种“万有”的吸引力，即任意两个物体之间都存在这种力。街上路过你身边的行人和你之间就有引力，你口袋里的硬币和你之间也有引力。当然，你并不会注意到它们，因为引力实在太弱了——尽管你可能并不这样认为，毕竟你得费好大劲儿才能跳起一米高，但很快就会被引力拉回到地面上。无论如何，引力真的很弱，如果你水平伸出手臂，就会发现质量高达几十万亿亿吨的地球所产生的引力，却不足以把你的手臂拽下来。

虽然引力本身很弱，但它的大小可以随着质量的增加而变大。自然界中还有另一种力——电磁力，它既可以表现为吸引力，也可以表现为排斥力，因此在通常的质量中，电磁力是相互抵消的。和电磁力不同，引力总是让物体相互吸引（参见第2章），因此引力的效果是可以积累的：物体质量越大，引力越大。正因如此，在口袋里的硬币以及街上路过的行人这些小物体上，引力所产生的作用是微不足道的，但对于像行星、恒星、星系以及整个宇宙这样庞大的物体来说，引力的作用就十分可观了。

实际上，我们可以推导出引力在多大阈值下会开始占据主导地位。先看一个原子，它是由一个带正电的原子核和一些围绕原子核旋转的带负电的电子组成的（参见第8章）。正是电子之间相互排斥的力让原子与原子不会撞在一起，从而让物体能够保持一定的形状。在最简单的原子——氢原子中，只有一个质子和一个围绕其旋转的电子，它们之间的引力非常微弱，只有它们之间电磁力的1040分之一。这意味着，如果一个物体所包含的原子数量超过1040个，那么引力的大小就会超过电磁力。

对于一个由岩石构成的物体来说，1040个原子所对应的直径约为600千米；而由冰构成的物体相对来说能够塞进更多的原子，其1040个原子所对应的直径约为400千米。当引力占据主导地位时，所有物质都会在引力的作用下形成最紧密的结构，也就是球形。因此，我们可以预言，太阳系中所有直径大于600千米的岩石天体都是球形的，而所有直径小于600千米的岩石天体则是土豆形状的。对于由冰构成的天体，这个阈值大约是400千米。可以肯定的是，在太阳系之外，这一预言也是成立的。

其实，人们最早认为引力就是磁力。1600年，英国科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）用天然磁铁矿的碎块进行实验，他发现这种“磁石”的质量越大，其对铁块所产生的吸引力就越大。他还发现这种吸引力是相互的，即磁石对铁块产生的吸引力和铁块对磁石产生的吸引力大小完全相等。基于这一发现，吉尔伯特指出是磁力将太阳系中的天体拉在了一起。

罗伯特·胡克（Robert Hooke）是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）最大的劲敌，胡克对吉尔伯特的发现非常感兴趣。但是，他认为太阳能够让行星围绕其旋转，靠的并不是磁力，因为物体在高温下会失去磁性，而太阳的温度显然是非常高的。不过，胡克还是将磁力看作是一个能够解释太阳系中天体运动的因素。首先，引力能够从一个物体中发出，穿过真空对另一个物体产生作用；其次，物体的质量越大，所产生的引力也越大；而且，这种力是相互作用的，这些性质和磁力的性质都是相符的。

约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）的行星运动定律揭示了关于引力作用的更多线索。1609—1619年，这位德国数学家仔细研究了丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在文岛天文台对行星用肉眼进行观测的精确记录，经过不懈努力，他推导出支配行星运动的三条定律。

开普勒行星运动第二定律指出，行星在距离太阳较近时运动速度较快，而距离太阳较远时运动速度较慢。更准确地说，这条定律指出，行星与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等，且这一面积与行星运动速度及其与太阳的距离的乘积成正比，这个量用现代术语来说，就是行星的轨道角动量。牛顿发现，只有当行星的力完全指向太阳，且在其路径上没有任何分量时，这个量才是守恒的。

想想看，这是一个何等惊人的发现。在牛顿之前，几乎所有思考过行星运动的人都认为是存在一个力沿着轨道推动着行星运动，这个力的来源可能是天使跟着行星边飞边吹气或是扇动翅膀所产生的力。然而，牛顿从开普勒第二定律中发现了关键信息，即并没有什么力在驱动行星沿着轨道运动，它们运动的根本原因是惯性，即物体保持其运动状态的趋势。牛顿在他的第一运动定律中概括了这一观点：“除非受到力的作用，否则物体将保持静止或匀速直线运动状态。”（在地球上，任何物体总会受到力的作用，例如踢出去的足球会受到摩擦力的作用而减速，如果没有这样的力，足球将会永远沿直线运动下去。）基于这一敏锐的洞察，牛顿准确描述了这种永远指向太阳的引力对行星运动轨迹所产生的作用——它不断地将行星拽离原本的直线路径，将它们永远囚禁在绕太阳公转的轨道上。

然后，牛顿还需要搞清楚引力的精确性质——它的大小是如何随行星

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