牛顿三大定律解释不了的两个现象：牛顿都做不出来的物理题

如果有一道算万有引力的题，让牛顿和一个现在的高中生做，你觉得谁的得分高？

牛顿是有史以来最伟大的科学家，正是他提出了万有引力，让他和一个高中生比试，听起来有些荒唐……但你可能想不到，在这场竞赛中，高中生或许能得满分，而牛顿一定是零分。

为什么？因为牛顿不会算。

我没开玩笑，牛顿真的不会算。这不是因为他不懂自己提出的万有引力定律，而是另有原因——

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你竟然说我得零分？

牛顿首次提出万有引力定律，

这没毛病

故事要从1687年讲起。那一年，牛顿发现了万有引力定律。很多人都听过一个故事，树上的苹果掉落砸到牛顿，给他提供了发现万有引力定律的灵感。事实上，牛顿的苹果树的确存在，但是是否真的砸中过他我们不得而知，更有可能的情况是，他在脑海中想象过自己被苹果砸中，并思考为什么苹果会落到地面，从而有了后面对引力的研究[1]。

牛顿在人类历史上第一次证明，我们身边的物理定律和宇宙中的其他地方是一样的，苹果落地和月球围绕地球转动遵循一样的规律。这是对人类世界观的巨大颠覆。在他之前，从东方到西方，人类都设想自己在地面上生活劳作，而天上有另外一个截然不同的世界，注视并主宰着我们的生活。从牛顿开始，天上和地上的关系被打通。

其实早在牛顿之前，已经有人思考头顶的星空与脚下的大地之间的关系。

比如英国的一位主教约翰·威尔金斯（John Wilkins）就在1638年出版的《月中世界的发现》（The Discovery of a World in the Moone）中提到，定义地球的法则也适用于全宇宙，实验室发现的证据是放之四海而皆准[2]。

但是，牛顿之前的类似思想要么是哲学层面的思考，要么是单纯的猜测，都没有什么实在的根据，而牛顿第一次用数学工具证明了这一点。

万有引力定律有了，

但G值却无处寻觅

万有引力的思想光芒万丈，一定可以指引后世的研究……了吧？不行。实际上，在1687年之后一个多世纪的时间里，万有引力定律并没什么实际的用途。不只是牛顿比不上现在的中学生，就是他之后很长时间里的物理学家，全都比不上。

为什么呢？答案就藏在这个定律里。

我们来看万有引力定律。这个定律用文字表述就是：两个质点之间相互吸引的作用力，与它们质量的乘积成正比，与它们之间的距离成平方反比。用公式表述就是：

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其中G是万有引力常数

这些是我们在中学物理课本中都看过的内容，我们能用它计算出地球与太阳或者地球与月球之间的引力。这在物理考试中算是比较简单的计算题，只需把给定天体的质量和二者之间的距离代入公式即可。

但是这里有个前提，我们要知道里面的G的值是多少才能算出结果，而正是这个，难倒了牛顿和他身后一个世纪的物理学家。因为在1798年之前，没有人知道G的值到底是多少。

直到1798年，英国科学家卡文迪许利用扭秤实验第一次确定了G的值。从此之后，这个定律才可以真正发挥作用，用来完成实际的计算。卡文迪许当时测得的G的值与现代的测量值非常接近。

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虽然说是很接近，但是2个多世纪以来，物理学家始终没有停下追求更精确测量值的脚步。

万有引力常数是与引力紧密相关的物理常数，而在宇宙的大尺度结构上，引力在四种自然力（引力、电磁力、强核力和弱核力）中起到决定性的作用，也就是说，这个常数的值与我们宇宙的结构和命运息息相关。

中国科学家刚刚公布最精确G值

那现在最精确的值是多少呢？就在今年的8月30日，罗俊院士领导的研究团队在《自然》上发表了一篇论文，公布了使用两种独立方法测到的万有引力常数的数值[3][4]，这两个数值成为目前科学家测量到的精度最高的引力常数值。分别是：

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罗俊院士现在担任中山大学校长，此前一直在华中科技大学工作，大半辈子都在武汉喻家山下的实验室中测量引力常数，这次公布的结果就是他和研究团队经历30年实验获得的。

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罗俊等人的论文截图丨参考文献3

从卡文迪许到现在的罗俊和其他致力于精确测量万有引力常数值的科学家，他们工作的意义可不只是帮我们在和牛顿的“比赛”中获胜而已。我们测量得越准，就越有机会理解这个常数的内涵，从而洞察引力和宇宙的本质。

从万有引力中常数到宇宙研究历史

围绕这个常数，我们可以展开一段研究宇宙的历史。在20世纪的物理学家中，爱因斯坦的广义相对论就是研究时空结构的理论，因此他的理论中很自然就会包含万有引力常数。除此之外，还有两位杰出的物理学家与这个常数的关系值得一提。

第一位是狄拉克。

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狄拉克丨Wikimedia Commons

狄拉克在量子力学的发展过程中起到过非常重要的作用，大名鼎鼎的狄拉克方程就以他的名字命名。其实，他还提出过一个不太出名的“大数猜想”（large numbers hypothesis）[5]。这个猜想希望在对一些物理量在数量级上的“巧合”进行描述，具体就是，万有引力常数反比于宇宙的年龄：

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以及宇宙的质量正比于宇宙年龄的平方：

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但是，这两个猜想都没有被主流物理学界所认可，物理学家也尚未发现比例背后的规律。

第二位就是霍金。

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霍金丨Wikimedia Commons

今年3月14日，霍金逝世，被安葬于伦敦的威斯敏斯特大教堂。这座教堂有把逝世伟人的名字印在地砖上供后人瞻仰的传统，属于霍金的地砖就在牛顿和达尔文之间。在那块地砖上，印着他的名字和他的生卒年，以及他最杰出的贡献——以他命名的“霍金辐射”的方程。在属于这位“宇宙之王”的方程中，当然也不会缺少万有引力常数。

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霍金辐射方程

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威斯敏斯特大教堂内纪念霍金的地砖

巧合的是，牛顿、狄拉克和霍金，都担任过剑桥大学卢卡斯数学讲座教授（Lucasian Chair of Mathematics）的职位。这一创立于1663年的教职，可能是世界上最负盛名的教职。

从牛顿到爱因斯坦，从狄拉克到霍金，这些物理学史上的伟大名字因为万有引力常数联系在一起。在追求“更精确”的测量值的路上，我们永远不会止步，因为“更精确”的测量意味着“更深刻”的理解。同样在这条路上，我们会发现宇宙更多的秘密。

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