在萬有引力定律提出之前,人們就已經知道了開普勒三定律。
開普勒三定律是開普勒(1571-1630)根據第谷·布拉赫(1546-1601)觀測到的行星運動數據總結出來的。
第谷·布拉赫擁有一座島嶼,他在島上花了很多年觀察行星的運動。第谷也有自己的一套行星運動定律,但還不成熟。最后,在他去世之前,他將自己的數據交給了卡普勒,希望開普勒能夠從中找到規律??梢?,科學是人類整體的事業,而不是任何個人的事業。畢竟個體的生命是有限的月球引力常數,個體無法追求真理。
內容是:
1. 行星以橢圓形(或正圓形)軌道繞太陽運行,太陽位于行星橢圓軌道的焦點處。
這意味著,如果行星處于完美的圓形軌道上,那么太陽將位于行星完美的圓形軌道的中心。
2、單位時間內行星沿橢圓軌道掃過的面積相等。
這相當于今天的角動量守恒,因為行星和太陽之間的引力是沿著行星到太陽的矢量方向。引力不會對行星的運動產生扭矩,因此行星的角動量守恒。
假設行星在完美的圓形軌道上運行,角動量守恒意味著 mvr 等于一個常數。
開普勒定律的示意圖。
3. 行星沿橢圓運動的長半軸(R)的立方除以行星運動周期(T)的平方等于一個常數。
假設行星在完美的圓形軌道上運動,R是行星運動的半徑。
現在我們從開普勒第三定律開始推導。為了簡單起見,下面我們將考慮行星繞太陽做完美的圓周運動。
首先將 R 除在方程右側,
然后將方程左邊代入向心力公式的形式,
使用牛頓(1642-1727)自己的第二定律(F=ma),
現在萬有引力最重要的要素之一已經出現,即:隨著行星與太陽之間的距離R增加,力減少一平方因子。
假設這個力的來源是行星和太陽之間的相互吸引力月球引力常數,我們很容易猜測這個力的大小應該與行星的質量m成正比,也與太陽的質量M成正比,與行星和太陽之間的距離的平方成反比。 。假設比例因子為G,它是一個不隨質量和距離變化的常數。這就是牛頓萬有引力定律。
所以,
萬有引力常數G可表示為:
萬有引力常數可以直接測量。根據萬有引力常數和行星運動數據,我們可以計算出太陽的質量M。這聽起來像是一個令人難以置信的故事。
亨利·卡文迪什(Henry Cavendish,1731-1810)也是一位大地主,他使用扭力天平直接測量了萬有引力常數。通過改變鐵球的質量和鐵球之間的距離,可以證明萬有引力常數是一個具有相當精度的常數。