北冰洋

一顆蘋(píng)果掉在了牛頓的身旁，他據(jù)此發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力。這個(gè)故事你早就耳熟能詳。而下面這個(gè)你可能還沒(méi)聽(tīng)過(guò)：一頭熊掉進(jìn)了坑里，這個(gè)坑深4.916米，熊掉到坑底用了1秒，那么，你知道這頭熊的顏色嗎？

或許，你正一頭霧水：熊掉坑里，問(wèn)它的顏色？這什么跟什么?。?/p>

這就得從萬(wàn)有引力說(shuō)起了……

引力的發(fā)現(xiàn)

在很久以前的歐洲，人們認(rèn)為地球是宇宙的中心，所有的星星都在圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)——“地心說(shuō)”是那個(gè)年代的主流。

1543 年，波蘭天文學(xué)家哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》。他主張地球不是宇宙的中心，提出了“日心說(shuō)”。對(duì)此，支持“地心說(shuō)”的教會(huì)怒不可遏，認(rèn)為權(quán)威遭受了挑戰(zhàn)。哥白尼因此備受刁難，還受到教會(huì)的迫害。后來(lái)，“日心說(shuō)”的支持者之一，意大利自然科學(xué)家布魯諾還因此殉道，被教會(huì)的極端分子燒死在鮮花廣場(chǎng)。

1596 年，受到“日心說(shuō)”的啟發(fā)，德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒發(fā)表《宇宙的秘密》。他在書(shū)中構(gòu)建了以太陽(yáng)為中心的宇宙體系。后來(lái)，開(kāi)普勒將他的體系逐漸完善。1610 年到1619 年期間，他提出了“開(kāi)普勒三定律”。這使他贏得了“天空立法者”的美譽(yù)，更對(duì)后來(lái)者的學(xué)說(shuō)起到至關(guān)重要的作用。

在“開(kāi)普勒三定律”之后，人們開(kāi)始更加深入地思考，究竟是什么使得行星在圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。伽利略、笛卡爾，還包括開(kāi)普勒自己都提出過(guò)相關(guān)的解釋，以及胡克、哈雷等都做出了貢獻(xiàn)。關(guān)于萬(wàn)有引力，一切呼之欲出——

后來(lái)的事情就家喻戶曉了。1687 年，牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，正式提出了萬(wàn)有引力。他認(rèn)為，宇宙萬(wàn)物都在相互吸引。

而在地表附近，萬(wàn)有引力就是導(dǎo)致物體墜落的力——重力。

小π 的超時(shí)空對(duì)話

π：您看見(jiàn)蘋(píng)果掉落就發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力，真的就這么簡(jiǎn)單嗎？

牛頓：我的發(fā)現(xiàn)也得益于前輩們的努力，特別是開(kāi)普勒。

π：您知道嗎？后來(lái)有人通過(guò)萬(wàn)有引力定律，計(jì)算出了地球的質(zhì)量。

牛頓：知識(shí)的接力真是神奇?。?/p>

物理啟蒙

·八年級(jí)物理下“重力”

·由于地球的吸引而使物體受到的力叫作重力。

重力的測(cè)量

重力，也就是讓熊掉坑里的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>

其實(shí)歷史上，第一個(gè)對(duì)重力理解比較正確的是伽利略。十六世紀(jì)，人們還普遍相信，重的物體會(huì)比輕的物體先落地。而伽利略卻發(fā)現(xiàn)，不管是重的還是輕的物體，它們受到的重力加速度都一樣。因而，才有了著名的“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”。

伽利略也是第一個(gè)測(cè)出重力加速度的人。1590 年，他利用物體在斜面上會(huì)受到重力而滑落的實(shí)驗(yàn)，來(lái)測(cè)量重力加速度的值。不過(guò)由于物體會(huì)受到斜面摩擦力的影響，他測(cè)量的值算不上精確。

然而，伽利略對(duì)重力的探索也沒(méi)有能夠再向前。知識(shí)，還需要接力……

1784 年，英國(guó)物理學(xué)家喬治·阿特伍德通過(guò)更精妙的設(shè)計(jì)，更為準(zhǔn)確地測(cè)出了重力加速度。他將質(zhì)量相同的重物用繩子連接，并繞過(guò)一個(gè)定滑輪。接著，在其中的一個(gè)物體上附加一個(gè)較輕的物體。這時(shí)，定滑輪更重的一端會(huì)因?yàn)橹亓σ砸粋€(gè)微小的加速度下滑。測(cè)出這個(gè)加速度，再根據(jù)各個(gè)物體的質(zhì)量，便可以精確地計(jì)算出重力加速度。阿特伍德發(fā)明的這個(gè)裝置，被叫作阿特伍德機(jī)。

到了現(xiàn)代，測(cè)量重力加速度的重任被交到了重力儀——基本原理依然是自由落體。重力儀依靠更先進(jìn)的現(xiàn)代科技來(lái)精確地測(cè)量出自由落體的時(shí)間和距離，以此得出極為精確的重力加速度。

不同地區(qū)的重力和熊

到這里，可能你又要問(wèn)：這跟掉坑里的熊的顏色有什么關(guān)系？

關(guān)系來(lái)了！

地球并不是一個(gè)絕對(duì)的球體，是一個(gè)兩極稍扁，赤道略微鼓起的橢圓體。地球還在以南北極為軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)，而赤道地區(qū)的物體隨著地球自轉(zhuǎn)時(shí)，受到的一部分萬(wàn)有引力會(huì)用來(lái)提供向心力——所以在地表，重力加速度的大小，在不同緯度的地區(qū)是不一樣的。

在赤道地區(qū)，地表的重力加速度約為9.780m/s2 ，最小；在南北極地區(qū)，地表的重力加速度約為9.832m/s2 ，最大。不同地區(qū)的重力加速度是有差異的，這使得不同地區(qū)的熊掉到坑底的用時(shí)是不同的——根據(jù)計(jì)算，只有在南北極地區(qū)，熊掉進(jìn)4.916 米的坑底用時(shí)最短，僅需1 秒。那么，南北極的熊分別是什么顏色？

南極沒(méi)有熊，只有北極熊，它看起來(lái)是白色！

關(guān)于重力加速度的測(cè)量，除了讓我們知道不同地區(qū)的熊掉坑里的時(shí)間不同之外，還具有更廣泛的科學(xué)意義。通過(guò)測(cè)量不同地區(qū)的地球重力的微小變化，可以提供關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地殼運(yùn)動(dòng)等方面的寶貴信息。根據(jù)這些信息，我們可以揭示地球內(nèi)部的演化過(guò)程、研究地殼運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在不久的未來(lái)，也許預(yù)測(cè)地震也將成為可能。甚至，遠(yuǎn)不止于此。