各位同學好

關於牛頓的萬有引力定律

這邊有3個問題要來考考你哦！

第一題

物理學的發展

有時是先有理論

再設計實驗驗證

有時則是先有實驗結果

再由理論解釋實驗結果的合理性

請問：

牛頓的萬有引力定律與卡文笛西的扭秤實驗

分別屬於哪一種呢？

第二題

日常生活中

物體之間感受不到萬有引力的存在

究竟是物體質量太小

還是萬有引力公式中的萬有引力常數G值太小呢？

最後一題

你知道牛頓提出萬有引力定律之後

再經過多少年

才有人找到其中的萬有引力常數G值是多少嗎？

先跟著我看下去

這些問題會在片尾解答喔！

物理學的發展

可大致區分為兩個方式

首先是理論物理學

也就是先有理論再設計實驗驗證

另一個則是實驗物理學

也就是先有實驗結果

再由理論進行解釋

兩種方式其實沒有哪個比較好

端看人類與科學的緣分從哪個面向開始結緣而定

很浪漫吧！

接下來

我們將兩種發展方式的重點

做個簡單的介紹

理論物理學

是將腦中的想法透過數學呈現出來

而形成理論

另外

這個領域以實驗物理學家的實驗結果切入

並試圖用已知的理論

或是提出一套新的理論

來充分解釋實驗結果的合理性

像是牛頓的萬有引力定律

便是理論物理的研究成果

再來是實驗物理學

實驗物理的主要架構

就是觀察現象、提出假設、設計實驗、提出結果

這是為了驗證理論物理學家提出的理論是否正確

而進行的實驗設計

卡文笛西的扭秤實驗與萬有引力的關係便是如此

這樣你更清楚知道物理學發展的方式跟脈絡了吧！

牛頓花了20年的時間

才終於釐清萬有引力定律

過程都記錄在《自然哲學之數學原理》這本書中

最後

他終於在1685年寫下「兩質點間萬有引力」的數學關係式

不過

其實牛頓當初並不知道重力常數G值是多少

直到牛頓提出萬有引力定律後再經過113年

也就是1798年

才由卡文笛西在當時的

《英國皇家學會會刊》發表〈地球密度的實驗確定〉這篇著名文章

這篇文章介紹了如何使用扭秤研究兩物體間的萬有引力

並首次精確地給出地球的密度是水的5.48倍

由此結果才得到了

重力常數G值為6.67乘以10的負11次方公尺立方每秒平方公斤

所以

人們常説卡文笛西是歷史上第一個得到地球質量的人

他也因此成為歷史上第一個測出萬有引力常數G的科學家

那卡文笛西又是誰呢？

不同於牛頓的舉世聞名

一般人對卡文笛西可能比較不認識

但其實牛頓與卡文笛西都是英國人

也都是由英國資助科學發展的「英國皇家學會」這個學會的會員

卡文笛西出身貴族家庭

同為英國皇家學會會員的父親

從小就讓他進行嚴格的教育訓練

爾後在物理與化學上都有卓越的貢獻

卡文笛西不僅是第一個算出地球質量的人

也是第一個區分空氣中二氧化碳和氫的存在的人

在他過世之後

著名的英國物理學家馬克士威

於1871年創立近代科學史上第一個社會化和專業化的科學實驗室

並以卡文笛西的名字命名

也就是著名的卡文笛西實驗室

藉此彰顯並紀念卡文笛西在學術界的貢獻

卡文笛西實驗室歷年的成員

在科學界來講可說是眾星雲集

物理課本上出現過的馬克士威、湯姆森、拉塞福、查兌克等

都是實驗室的成員

此外

卡文笛西實驗室從1874年至1989年

共產生了29位諾貝爾獎得主

可說是諾貝爾獎的搖籃

卡文笛西的扭秤實驗

是個非常巧的設計

它只運用了簡單的物理原理

卻能夠精準地進行測量

解決了113年來的難題

不僅得到了地球質量

也找到了萬有引力常數G值

現在

我們就搭乘時光機

一起去看看卡文笛西當初是怎麼做實驗的吧！

實驗最初的目的

是為了要測量地球的質量

進而驗證萬有引力定律

並由實驗結果算出萬有引力常數G值

而實驗的原理

是儘可能延長兩球的距離

使兩球間萬有引力能夠產生較大的力矩

使杆偏轉

接著

他透過光學反射定律的設計

精準量測旋轉角度

再搭配牛頓萬有引力公式

即可算出萬有引力常數G值

卡文笛西利用扭秤

進行了一系列十分仔細的測量

搭配萬有引力定律

不但算出地球的質量

也同時測得萬有引力常數G值

與公認值只差百分之一！

此後的89年間

沒有人超過他的測量精準度

哇

卡文笛西的扭秤實驗真是太巧妙了

竟然連平常感受不到的萬有引力都精準測量出來

真是太厲害了！

自從牛頓提出萬有引力定律之後

萬有引力常數G值這個跨世紀之謎

持續了113年

才由卡文笛西利用扭秤進行測量而得知

令人讚嘆的是

解開這樣的世紀之謎

其實也只是運用了基礎的物理原理來進行實驗設計

這也是另一種物理之美呢！

最後

我們統整一下今天學到的重點：

理論物理學

是先有理論

再設計實驗驗證

實驗物理學

則是先有實驗結果

再尋求理論解釋

牛頓提出萬有引力定律

再經過113年後

才由卡文笛西利用扭秤進行實驗

求得萬有引力常數G值為

6.67乘以10的負11次方公尺立方每秒平方公斤

卡文笛西測量的萬有引力常數G值

與公認值只差百分之一

在此後的89年間

沒有人超過他的測量精準度

這邊來解答一下片頭的問題

首先

先有牛頓提出萬有引力定律的理論

而後才由卡文笛西的扭秤實驗驗證

再來

萬有引力常數G值為6.67乘以10的負11次方公尺立方每秒平方公斤

這是非常小的數值

也是日常生活中

物體間萬有引力這麼小的主因

最後

萬有引力定律提出之後的113年

才由卡文笛西利用扭秤進行實驗

求得萬有引力常數G值

想一想

為什麼當年牛頓無法自己找出萬有引力常數G值是多少呢？

試著解釋看看吧。

想好了嗎？

我們來公佈答案

當年

牛頓透過克卜勒的行星運動定律

啟發了萬有引力定律並提出理論形式

不過

由於日常生活中的萬有引力實在是太小

加上當時缺乏適合的精密測量器材來進行實驗驗證

所以牛頓無法得知萬有引力常數G值是多少

直到100多年之後

卡文笛西利用扭秤進行了一系列十分仔細的測量

再搭配牛頓的萬有引力定律

才算出萬有引力常數G值