7-5 万有引力

当我们理解引力的时候，还可以理解别的什么呢？人人都知道地球是圆的。为什么地球是圆的？这很容易回答：由于引力的作用。我们之所以能够理解地球是圆的，仅仅是因为每个物体都在吸引任何其他的物体，所以地球尽它之所能把自身各部分相互吸引在一块！如果我们进一步深入下去，那么地球并非是一个 精确 的圆球，因为它在旋转着，从而引进了离心效应，在靠近赤道的地方，它趋向于与引力相对抗，其结果表明，地球应当是椭圆形的，而且我们甚至得到了这个椭圆的正确形状。这样，我们仅仅从引力定律出发，就能推论出太阳、月球和地球都应当呈（近似的）圆球形。

应用引力定律我们还能做别的什么呢？如果我们看一下木星的月球，那么我们就能知道它们怎样围绕这个行星运行的一切情况。附带说一下，在有关木星的月球这个问题上曾经出现过一个困难，值得在这里一提。罗默（Roemer）非常仔细地研究了这些月球，他注意到，它们时而好像走在时间表的前面，时而好像走在时间表的后面（等待很长一段时期，并找出这些月球绕行一圈平均所需的时间，就能找到它们的时间表）。当木星特别 靠近 地球时，它们走在前面，而当木星 远离 地球时，它们就走在 后面 。要按照引力定律来解释，将会是一件非常困难的事——确实，如果找不到其他解释的话，这就会成为这个美妙理论的终结。如果某条定律，哪怕只在 一个 理应对的地方不对，那它 就是 错的。但是现在出现这个矛盾的原因是十分简单和美妙的：为了 看到 木星的月球就需要稍微花一点时间，因为光从木星跑到地球上来是需要时间的。当木星靠近地球时，它花的时间稍微短一点，而当木星远离地球时，所花的时间就稍微长一点。这就是为什么这些月球平均而论好像时而稍微超前、时而稍微落后的原因，完全看它们靠近还是远离地球而定。这个现象表明光的传播并不是在一瞬间发生的，并且它第一次为光的速度提供了一个估计。这个估计是在1676 年做的。

如果所有的行星彼此之间都相互吸引，那么控制一个行星比如说木星围绕太阳转动的力，不是只有从太阳来的引力，也有来自例如土星的拉力。实际上这个力并不强，因为太阳的质量比土星要大得多，但是毕竟有一点吸引作用，所以木星的轨道不应该是一个精确的椭圆，事实也确是这样；它与精确的椭圆轨道稍有偏离，而且绕着它“摆动”。这样的一种运动就稍微更复杂些。人们曾试图在引力定律的基础上分析木星、土星及天王星的运动。对这些行星中的每一个，人们计算了它对其他行星所产生的效应，以便知道这些运动中出现的微小偏差与不规则性，是否单独用 这条 定律就能完全理解。好，就让我们看一下吧！对于木星和土星，一切都很好，但是对天王星却是“不可思议”的。它以非常奇特的方式运行着。至于它不是沿着一个精确的椭圆运行，那是可以理解的，因为有木星和土星在吸引它。但是，即使考虑到这些引力，天王星 仍然 没有按正确方式运行，所以引力定律就面临被推翻的危险，这是一个不能排除的可能性。但在英国与法国有两个人，亚当斯（Adams）与勒威耶（Leverrier），他们各自设想另一种可能性：或许存在着 另一 个 幽暗而看不见的行星，以致人们从未看到过它。这个行星N可能在吸引天王星。他们计算了这样一个行星应处在哪个位置才能造成所观察到的那个扰动。他们把这一消息分别通知有关的天文台，并说：“先生们，把你们的望远镜指向某某、某某位置，你们就会看到一颗新的行星。”至于人们对你注意不注意，那常常要看你在同谁进行联系。他们确实注意到了勒威耶；他们朝那个位置看了，果真发现有一颗行星N！另一个天文台过了几天也很快地看到了这颗新行星。

这个发现表明，牛顿定律在太阳系范围内是绝对正确的；但是这些定律的应用是否能扩展到离我们最近的那些行星所在的比较小的距离以外呢？对它们的第一个检验，在于回答这个问题： 恒星 是否也像行星一样在 彼此吸引 ？在双星的情况下，我们有确凿的证据表明，它们是在彼此吸引的。图7-6表示一对双星——两颗非常靠近的恒星（图上还有第三颗恒星，由此我们看出照片没有被旋转过）。图中也显示了双星在几年之后所在的位置。我们看到，相对于“固定”的恒星来说，双星的轴转过了一定角度，也就是说两颗星中每一颗在绕着另一颗转动。它们是不是在按照牛顿定律转动？图7-7表明对这种双星系统中一颗星的相对位置所作的仔细测量。这里我们看到一个完美的椭圆，测量工作从1862年开始，到1904年测完了整个一圈（到现在它必定又已绕行了一圈多）。一切与牛顿定律相一致，只是天狼星 A 不在焦点上 。为什么是这样？因为椭圆平面并不在“天空平面”上。我们不是从垂直方向去看轨道平面，而当从倾斜方向去看时，它还是一个椭圆，但焦点不再在同一个位置上。因此我们确实能够按照引力定律的要求来分析双星中一个绕另一个的运动。

甚至对更大的距离，引力定律也是正确的，图7-8表明了这一点。如果一个人看不出引力在这里起作用，那他是过于迟钝了。这幅图所显示的是天空中最美妙的事物之一——一个球状星团。所有的小点都是星星。虽然看上去它们好像向中心密集地挤成一团，其实这是由于我们的仪器难免发生错误所致。事实上，即使是最靠近中心的那些恒星之间的距离也非常巨大，而且它们也非常难得相互碰撞。在内部比在外沿有更多的恒星，越往外走，恒星越少。很明显，在这些恒星之间存在着一个引力。因此非常清楚，在如此巨大的、或许是太阳系大小的100 000倍的范围内也存在着引力的作用。让我们现在跑得更远一点，看一下图7-9所示的 某个星系 的整体。这个星系的形状表明它的物质明显地有团聚在一起的趋势。当然我们不能证明这一定律在这里也是准确地与平方成反比，而只能说明在如此巨大的范围内，仍然有引力作用着，它把整个物体聚集在一起。有人或许会说：“嗯，这一切真是太巧妙了，但是为什么不聚集成一个球呢？”回答是：因为它在 旋转 ，并且具有 角动量 ，而这是在它收缩时所不能放弃的；因此，它必然主要在一个平面内收缩（附带提一下，如果你在探讨一个有意思的问题，银河系的旋臂如何形成，以及究竟是什么决定了这些星系的形状等等，都还没有人进行研究）。然而，非常清楚，星系的形状来源于引力的作用，尽管它的结构的复杂性还不允许我们把它完全分析清楚。一个星系的规模有50 000～100 000光年，地球到太阳的距离是8．33光 分 ，所以你们可以看到这样的范围是多么的大！

正如图7-10所指出的那样，甚至在更大的范围内也存在着引力。图中还显示出有许多“小”的东西集成一簇。这就是一个犹如星团一样的 星系团 。可见这些星系相距如此之遥也彼此吸引而同样聚集成团。或许甚至在超过 几千万 光年的距离之间也存在着引力作用；就我们今天所知，看来引力永远以与距离平方成反比的方式延伸开去。

我们不仅能够理解星云，而且从引力定律出发，甚至还能对恒星的起源获得某些概念。如果我们有很大的一片尘埃与气体云，如图7-11所示，那么尘埃片与片之间由引力而产生的吸引，可能会使它们形成一些小的团块。在图上有一些“小”黑斑依稀可辨，它们可能是尘埃与气体相积聚的开始，而由于这些积聚物彼此间的引力作用，就开始形成星体。我们究竟是否看到过一个星的形成，这是一个可争论的问题。图7-12提供了一个证据说明我们曾经见到过。左边是一张1947年拍摄的照片，显示一个气体区域，中间有几个星体；右边是一张只过了七年之后拍摄的照片，显示两个新的亮点。气体是不是积聚了起来，引力是不是作用得足够强，并把它聚集成一个足够大的球体，以致在其内部发生星体核反应而把它变为一颗星呢？或许是这样，或许不是这样。而不可思议的是，仅仅在七年之中我们竟会如此幸运，能看到一颗星体把本身转变为可见的形式；更不可能的是，我们居然一下子能看到了 两个 ！ CJ82X3n8mNxFOv5J3I9N0pZVl6VdsoUrDtXMqXKYMf98j0XB39dh+7pay7UYTpGi