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17世纪,英国科学家牛顿通过观察日常现象,发现了万有引力定律。他观察到苹果总是落向地面,同时思考月球为什么绕着地球运动而不飞离。牛顿意识到,使苹果下落的力和使月球绕地球运动的力,可能是同一种力。
牛顿的发现建立在开普勒行星运动定律的基础上。开普勒通过精确观测发现,行星绕太阳运动的轨道是椭圆形,太阳位于椭圆的一个焦点。行星在轨道上运动时,连接行星和太阳的直线在相等时间内扫过相等的面积。这些规律暗示着存在一种力在控制着行星的运动。
牛顿运用数学分析,推导出如果两个物体之间的引力与它们质量的乘积成正比,与距离的平方成反比,那么小物体绕大物体的轨道就是椭圆。这个数学关系完美地解释了开普勒观察到的行星运动规律,证明了万有引力定律的正确性。
牛顿最终提出了万有引力定律:任意两个物体之间都存在相互吸引的引力,引力的大小与两个物体质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。这个定律不仅解释了苹果落地,也解释了月球绕地球、行星绕太阳的运动,统一了地面和天体的运动规律。
1687年,牛顿发表了《自然哲学的数学原理》,系统地阐述了万有引力定律和运动三定律。这部巨著不仅解释了地面物体的运动,还成功预测了天体的运动轨道。万有引力定律的发现,统一了地面和天体的运动规律,奠定了现代物理学的基础,开创了经典力学时代,深刻影响了人类对宇宙的认知。