牛顿真有传说的那么厉害吗?

查看全文
是圆内一点(黄点)画到圆周上的无数根线段中的一条。标红的线段,是这根线段以中点为轴旋转 90 度后的效果。 如果我们从圆心(红点)拉一条辅助线到圆周上的 P 点,很容易发现,P 点到 Q 点距离,和 Q 点到黄点的距离相等,因为它们正好组成了等腰三角形的两个腰。 所以,红点到 Q 点+黄点到 Q 点=红点到 Q 点+Q 点到 P 点=圆的半径。而圆的半径是不变的,也就是说,Q 点到红黄两点的距离之和,是一个不变的常数。 无数个这样的 Q 点连成一条线,这条线画出的,正是椭圆。 因为这恰恰就是椭圆的基本性质:圆周上任意一点,到两个焦点的距离之和不变。 画出一个椭圆最简单的方法就是,两个图钉之间钉一根绳子,然后用笔顶住绳子,把绳子绷紧,画出的圆圈就是椭圆。很显然,绳子的长度不会变,所以笔尖到两个图钉的距离之和永远不变。 到此为止,我们终于沿着牛顿走过的道路,证明了引力与距离成平方反比,就是行星轨道是椭圆的根本原因。回过头看,我们所用到的数学工具,其实只是初中就学过的代数几何而已。如果你现在的感觉有点懵,放平心态,这很正常。要是能一遍看懂,那你不去学物理,简直就是全人类的损失。 诺奖得主费曼曾经给学生讲上面这段证明,讲了一节课,板书写满几黑板。费曼自己都承认,他在看牛顿的原版证明时,看到一半就有点跟不上节奏了。 我们现在讲的证明方法,已经不是牛顿当年的原版,而是综合后人的各种解读,把牛大侠的一招一式掰开揉碎、再加慢动作重播的版本。在牛顿本人看来,这种问题大概就是「显然易证答案略」的级别,写满一张 A4 纸都嫌浪费。 我们从小就听说牛顿很牛,结果学完牛顿三定律和万有引力一看,感觉好像也没多难。现在,你大概能体会到牛顿牛在哪里了吧。至少对我来说,承认我和牛顿的差距主要是智商的差距,而不是知识储备的差距,不丢人。 不过,我之所以在椭圆轨道的问题上长篇大论,并不是为了考验你的智商,而是为了说明一个重要的事实,一个胡克无意中说出、然后被牛顿以绝妙的几何证明的事实: 在只有单个引力源的系统中,物体的运动轨道一定是椭圆曲线。 这一点非常重要。 因为它意味着,在第一宇宙速度之上,还存在着更高级别的宇宙速度。 润学的三重境界 我们已经知道,如果达到第一宇宙速度,任何物体都可以绕着地球做圆周运动,直到永远。 如果速度再快一点,物体并不会沿着螺旋线逐渐离开地球,而是会变成椭圆轨道。速度越快,椭圆越扁。 那么问题来了:如果速度继续增加,会发生什么?变成无限扁的椭圆轨道吗?难道真就永远无法逃出地球的手掌心了? 好在,这