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第六章 流浪的起点（第2页）

既然牛顿第一定律告诉我们，没有力也可以有运动，那么是不是从此力就和运动没有关系了呢？牛顿说：当然不是！力是改变物体运动速度和方向的原因。他又补充了一个定律一一牛顿第二定律，定量描述了力作用在物体上的效果。这个定律是这么说的：物体受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向与合外力的方向相同，大小与合外力的大小成正比，与物体的质量成反比。

什么是合外力呢？就是一个物体可能同时受到很多个力，但它不可能同时向很多个方向运动，因为所有的力会互相叠加和抵消，四舍五入就等于一个方向的力，这个力就是合外力。而加速度则用来表示物体速度变化的快慢，它的值等于速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值。

牛顿先生发现的第一定律和第二定律，为人类解决了力与运动的关系这个大问题，却没有解决一个令他自己头痛的小问题，就是为什么在树上安安静静挂着的苹果，会突然落下来砸得他头痛呢？他开始思考：既然所有的物体改变运动状态都是受到了外力的作用，那么让苹果从树上向地面落下的力是什么呢？树再高一些又会怎么样呢？如果树一直长到月亮上，苹果还会掉落到地面上来吗？为什么月亮不会像苹果一样落到地面上呢？又是什么力量，让月亮不停地围着地球转动呢？

按照牛顿第一定律，如果没有受到外部施加的力，月球应该保持静止或者做匀速直线运动，之所以会绕着地球旋转，不停地改变运动的方向，一定有一种看不见的力量不断把它往地球的方向上拉。如果没有这种拉力的话，月球就会沿着与轨道相切的方向直线飞离轨道，就像链球运动员拉着链球让它围绕自己旋转一样，如果他松开手，链球就会沿着拉力消失的那一瞬间运动的方向直直地飞出去。苹果长在树上没有惹任何人，之所以会落向地面，一定有一只看不见的手在拉它。

从1665年到1685年，牛顿花了整整20年的时间，终于找到了把苹果拖向地面的那只“隐形的手”，并且从数学上证明了把苹果拽到地面上的力量与把月亮束缚在地球周围不停旋转的力量是同一种力——万有引力。

牛顿认为，所有的物体都是通过万有引力相互吸引的，只要有质量，就有万有引力。同时他还找出了万有引力作用的规律：引力的方向是沿着两个物体中心的连线，引力的大小和物体质量的乘积成正比，和物体之间距离的平方成反比，再乘以一个引力常数G，就可以得到引力的数值了。G是通过多次测量测出来的，它的值大概是6。67×10-11N·m2kg2。

万有引力的计算公式

在地球上，引力赋予了苹果重量，让苹果落向地面。在宇宙中，引力让物质聚集在一起形成天体，让小质量的天体绕着大质量的天体旋转形成星系，而月球的质量对海水的吸引，让地球上有了潮汐。

任何两个有质量的物体之间，都存在着互相吸引的力量，无论它们之间的距离有多远。可是为什么所有的物体没有吸在一起，只有地球把它上面的东西吸住了呢？因为引力其实是一种非常弱的力量，在左右我们这个宇宙的四种基本力量（另外三种是电磁力、强相互作用力和弱相互作用力）之中，万有引力是最弱的一个。大多数时候它都是完全没有存在感的。只有在遇到质量非常大的物体时，引力才会大到能够让人明显察觉的地步。

所以，一般我们看到万有引力起作用的时候，都和大质量的天体有关。人类想要逃离地球引力的束缚，必须达到地球的逃逸速度。地球要想逃离太阳引力的束缚，也必须比现在跑得更快，直到达到太阳的逃逸速度。

3。“逃逸速度”怎么算？

要计算逃逸速度，我们需要知道另外一件事情——能量。能量可以有很多种不同的形式，比如动能、势能、热能、电能、核能……这些能量彼此之间是可以互相转化的。也就是说，不管能量有多少种千差万别的形式，本质上它们其实是一种东西。和逃逸速度相关的能量是动能和势能。

世界万物是不停运动的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。而有了运动，就有了能量。比如，温度是物质内部的分子做无头苍蝇一样没有规律的布朗运动的外在表现，有温度，就有热能。宏观的物体运动起来，就有了运动的能量——动能。物体的质量和速度决定了它在某一刻所具备的动能，质量（m）越大、速度（v）越高，动能（E）就越大。

相对静止的宏观物体除了热能，是不是就没有其他能量了呢？并不是的，由于引力的作用，它与其他物体的相对位置会赋予它蓄势待发的一种能量——引力势能。在地球表面，重力让一切位于地心那个点之外的物体都有了自己的引力势能。

上面就是引力势能的计算公式。其中，大写的M代表互相吸引的两个物体中，质量更大的那一个，小写的m代表小一点的那个，r是两个物体中心连线的长度，G是万有引力常数。为什么引力势能会加一个负号呢？因为我们一般会把引力完全消失的地方——假想中的无穷远处当成是没有引力势能的地方，也就是距离一个物体无穷远的地方，这个物体的引力势能为零。而其他所有在引力作用范围内的物体，都拥有引力势能。离得越近，引力越大，引力势能就越大。所以，引力势能的公式中必须加上一个负号，才能够表达势能随着距离由远到近，能量由小变大的这个过程。

要逃离一个天体的表面，所需要具备的动能一定不能比这个天体束缚它的引力势能的绝对值更小。于是，我们就得到了逃逸速度的公式。

要逃离太阳的表面，M就是太阳的质量，r是太阳的半径。根据这个公式，我们可以计算出太阳表面的逃逸速度大概是617。7公里秒。而地球在距离太阳约1。5亿公里的地方，如果要逃出太阳引力，按照上述公式计算，速度需要达到42。4公里秒。目前，地球围绕太阳公转的线速度大概在30公里秒，所以，以这个速度奔跑的地球仍然在太阳的势力范围内，需要开足马力才能逃离。

4。能量的本质是什么？

我们生活中所有的一切都离不开能量。物理学上，能量的定义是“物质运动转化的量度”。但是，这似乎很难解释能量究竟是什么。的确，能量可以使物体发生运动和变化，可以推动火箭，可以加热物体，可以让手机24小时开机。虽然人类已经基本掌握了能量的转化规律，比如，不同形式的能量互相转化前后的总量是一样的（也就是“能量守恒定律”），并且已经可以熟练地使用各种各样的能量为我们服务，但是时至今日，物理学家们仍然没有弄清楚能量的本质是什么，就像没有弄清楚力的本质是什么一样。

关于能量的本质，目前人类的认识止于爱因斯坦发现的质能方程式：E=mc2。这个伟大的方程式为我们揭示了一个秘密：质量和能量是等价的。用一个物体的质量乘以光速的平方，就等于这个物体消

失后产生的能量。也就是说，能量不仅可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体转移到另一个物体，物体本身也可以转化为能量。因为光速的平方非常大，所以一点点的质量损失都可以转化为很大的能量，这也就是前面提到的，在太阳内部发生的事。

更加奇妙的是，根据这个方程，能量也可以转化为质量。也就是说，只要有能量，世界万物都可以无中生有。实际上，我们的宇宙很可能就是这么来的。1929年，美国天文学家哈勃发现，不管往哪个方向看，远处的星系都在急速地远离我们，这就意味着宇宙正在不断膨胀。通过进一步追踪星系发出的光线，他发现，在100多亿年前的某个时刻，宇宙中所有的星星都在同一个位置。

这是什么意思呢？哈勃认为，只有一种假设能够解释这件事情，就是存在着一个叫作“大爆炸”的时刻，当时的宇宙都堆积在一个点上，这个点叫作“奇点”。后来的科学家们通过实验，基本确定了在大约138亿年前，这个假想中的“大爆炸”确实发生过。不过关于这个奇异的“奇点”到底是什么样子的，我们还只能靠猜。目前，天文学家们猜测，奇点的体积无限小，曲率无限大，热量无限高，密度无限大。奇点爆炸之后，才有了时间、空间和物质。

这么看来，我们现在这个宇宙中所有的物质和能量都是大爆炸之后，遵循着m=Ec2的规律产生的。据说，爱因斯坦的公式最早的表达方式也是m=Ec2，他想说的就是质量的来源是能量。从宇宙的尺度上来看，能量很可能是先于质量的存在，如果真的是这样，那么能量可能就是比物质更加基本的东西。所以，“能量的本质是什么”这个问题也许很长一段时间内都不会有答案，因为能量就是我们这个宇宙的本质。

想象中的宇宙大爆炸