少年读经典：神奇的万有引力

★《神奇的万有引力》通过一个个鲜活的科学经典故事，引出万有引力方方面面的知识：苹果掉落到地面、人不能随意跳上太空、地球绕着太阳转…….这些科学故事因饱含伽利略、牛顿、爱因斯坦等科学家的探索精神和热情而精彩绝伦；

★★《神奇的万有引力》是著名核物理学家、宇宙学家乔治•伽莫夫毕生力作，作者荣获卡林伽科普奖。

★★★《神奇的万有引力》知识全面，渗透科学思维和方法，展现科学进步的轨迹，有利于培养科学思维，是不可多得的世界青少年科学启蒙读物。

《神奇的万有引力》的作者乔治•伽莫夫是世界科普作家，他的科普作品深入浅出，对抽象深奥的物理学理论的传播起到了积极的作用。《神奇的万有引力》讲述关于万有引力方方全面的知识，是一部风靡全球的科普经典。作者在书中介绍了万有引力发展过程的3个阶段：

个阶段，着重讲述伽利略的开创性工作；

第二个阶段，主要阐述牛顿发现万有引力的思想，以及在诸多方面的应用与开创性的工作；

第三个阶段，介绍爱因斯坦关于万有引力与一些物理现象关系的猜测。

本书语言生动幽默，趣味十足，是一本不可多得的科普经典读物。

乔治•伽莫夫（George Gamow，1904-1968），1904年出生于俄国的敖德萨市，著名物理学家、天文学家。伽莫夫在原子核物理研究中成就斐然，是“大爆炸”理论的推动者，对破译生物学“遗传密码”做出过贡献，提出放射性量子论和原子核的“液滴”模型。

    伽莫夫是世界科普作家，一生共撰写25部科普作品，他的科普作品深入浅出，对抽象深奥的物理学理论的传播起到了积极的作用。并有多部作品风靡全球：《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳的生与死》《有一颗行星叫地球》《从伽利略到爱因斯坦：伟大物理学家的故事》《给孩子讲万有引力》《给孩子讲量子力学》 等，其中以《从一到无穷大》为著名与经典。

      1956年，他荣获联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。

章　物体如何下落 / 001

第二章　苹果和月亮 / 013

第三章　微积分 / 023

第四章　行星轨道 / 035

第五章　地球像旋转的陀螺 / 043

第六章　潮汐 / 049

第七章　天体力学的胜利 / 059

第八章　克服地心引力 / 067

第九章　爱因斯坦的万有引力理论  / 077

第十章　地心引力未解决的问题 / 093

重力和量子理论 / 099

反重力 / 101

引力主宰着宇宙。它把银河系的千亿颗恒星聚集在一起；它使地球绕着太阳转，月球绕着地球转；它使成熟的苹果和失能的飞机落到地上。在人类认识万有引力的历史上，有三个伟大的名字。伽利略·伽利雷，他是个详细研究自由落体和限制性落体过程的人；艾萨克·牛顿，他首先提出了万有引力是一种一般力的概念；爱因斯坦，他说万有引力不过是四维时空连续体的曲率。

在这本书中，我们将对万有引力理论发展的三个阶段进行梳理，用一章来介绍伽利略的开创性工作，用六章来介绍牛顿的思想及其后来的发展，用一章来介绍爱因斯坦，用一章来介绍后宾斯坦关于万有引力与其他物理现象之间关系的推测。这个提纲中强调“经典”，是因为万有引力理论是一个经典理论。在万有引力与电磁场和物质粒子之间很有可能存在着一种隐性的关系，但今天没有人准备好说出这是一种什么关系，而且没有办法预知在这个方向上需要多长时间才能取得进一步的重要进展。

考虑到万有引力理论的“经典”部分，笔者不得不对数学的运用做出一个重要决定。当牛顿次提出“万有引力”的思想时，数学还没有发展到可以让他遵循其思想的所有天文后果的程度。因此，牛顿不得不发展出他的数学体系，现在被称为微分学和积分学，主要是为了回答他的万有引力理论所提出的问题。因此，在本书中加入微积分的基本原理的讨论似乎是合理的，而且不仅仅是从历史的角度来看，这个决定导致在第三章中数学公式占据了相当大的篇幅。凡是有胆量专心致力于这一章的读者，一定会因这一章而获益匪浅，成为他进一步研究物理学的基础。另一方面，那些被数学公式吓倒的人可以跳过那一章，而不会对一般的理解有太大的损害。但是，如果你想学物理，请一定要努力理解第三章！

乔治·伽莫夫

科罗拉多大学 1961年1月13日

章

物体如何下落

“上”和“下 ”的概念可以追溯到远古时期，“万物有起终有落”的说法可能是由尼安德特人提出的。在古时候，人们认为世界是平的，“上”是通往天堂，即神的居所，而“下 ”是通往阴间的方向。凡是不属神的东西都有自然而然地坠落的倾向，一个从天上掉下来的天使，必然会在下面的地狱中结束。尽管古希腊伟大的天文学家，如埃拉托斯泰尼和亚里士多德，提出了地球是圆的有说服力的论点；但空间中的上下方向的概念一直持续到中世纪，并被用来嘲笑地球可能是球形的想法。事实上，有人认为，如果地球是圆的，那么生活在地球另一端的“反面人”，就会从地球上掉落到下面的空地上，更糟糕的是，所有的海水都会从地球上往同一个方向倾泻而下。

当麦哲伦环游世界之旅终于在大家的眼中确立了地球的球体性时，作为空间中方向的上下方向的概念不得不被改变。地球被认为是居于宇宙的中心，而所有的天体都是以水晶球为圆心，围绕着地球盘旋。这种宇宙观或宇宙学的概念，源于希腊天文学家托勒密和哲学家亚里士多德。所有物质物体的自然运动都是以地球为中心，只有火，因为它有神性的东西，所以它违背了这一规律，从燃烧的原木上射向上方。几个世纪以来，亚里士多德的哲学和学派主义支配着人类的思想。科学问题的回答是用辩证法的论证（也就是说，仅仅通过交谈），没有人试图通过直接实验来检验所做的陈述的正确性。例如，人们认为重的物体比轻的物体落下的速度要快，但我们从那个时代起就没有研究物体落下运动的记录。哲学家们的借口是，自由落体的速度太快，人眼无法跟踪。

在科学和艺术开始从中世纪的黑暗沉睡中苏醒的时候，意大利著名科学家伽利略·伽利雷（1564—1642年）提出了个真正科学的方法来解决事物如何下落的问题。根据这个丰富多彩，但可能不是真实的故事，这一切都源于某一天，年轻的伽利略在比萨大教堂望弥撒时，心不在焉地看着一个烛台，一个侍者把烛台拉到一边点燃蜡烛后来回摆动（图1）。伽利略注意到，虽然随着烛台的停止，连续的摆动幅度越来越小，但每次摆动的时间（振荡期）都没有变化。回到家后，他决定用悬挂在绳子上的石头来检查这一偶然的观察现象，并通过计算自己的脉搏来测量摇摆周期。是的，他是对的，摆动周期几乎没有变化，而摆动的时间却越来越短。伽利略是个好奇心强的人，他开始做实验，用不同重量的石头和不同长度的绳子做实验。这些研究使他有了一个惊人的发现。虽然摆动周期取决于弦的长度（长的弦更长），但它与悬挂的石头的重量无关。这个观察结果无疑是与公认的教条相矛盾的，即重的物体比轻的物体落下的速度要快。事实上，钟摆的运动不过是重物在绳子的限制下从垂直方向上偏转的自由落下，使重物沿着以悬空点为中心的圆弧运动（图1）。