【从大自然中学习】从苹果到火箭

2024年，SpaceX公司继在美国得克萨斯州将发射到太空的火箭回收至发射场后，又公开了使用两个巨大机械臂捕获火箭助推器，并使其安全返回着陆的成功试验画面。这一壮举让人们对月球旅行和太空观光的即将到来充满了期待。

此外，正将想象变为现实的SpaceX公司首席执行官埃隆·马斯克，通过可重复使用的火箭发射了约1.2万颗人造卫星，构建起严密环绕地球的低轨道卫星通信网络“星链”，从而使全球任何地方都能实现通信。

这些惊人的技术进步背后，正是牛顿的万有引力和运动定律在发挥作用。基于牛顿力学，人们研制出预测物体运动的软件。根据作用力与反作用力定律（第三定律），火箭通过喷射燃料，借助反作用力飞向太空。而且，在太空中运行的人造卫星，凭借万有引力定律和加速度定律（第二定律）保持平衡，既不会坠向地球，也不会消失在太空深处，而是维持在固定的轨道中。

苹果与万有引力

“英国科学家、数学家艾萨克·牛顿看到苹果掉落而获得灵感，从而发现万有引力定律”的故事广为人知。根据英国皇家学会公开的文献《艾萨克·牛顿生平回忆录》（作者：英国科学家威廉·斯图克利）记载，1726年春天的一个傍晚，两人在苹果树下喝茶时，牛顿说过这样的话：“在这种情况下，我突然想到了重力的概念。为什么苹果不是向旁边或向上掉，而是径直向下掉落呢？显然是因为地球在吸引着苹果。我认为物质之间一定存在相互吸引的力。”

牛顿在其代表作《自然哲学的数学原理》中，通过运动三定律（惯性定律、力与加速度定律、作用力与反作用力定律）和万有引力定律，用数学方式解释了天体轨道运动等自然现象。

如今，我们使用的众多发明，也可以说都源于牛顿的这些定律。汽车、火车、飞机等交通工具，钻头、压力机等作业机械，发动机、电动机、蒸汽机等动力机械，甚至包括工具和建筑物，几乎没有哪个领域不直接或间接应用了牛顿运动定律。

同样适用于我们生活的自然法则

对我而言，牛顿发现的运动定律有着更为特殊的意义。尤其是现代机械及飞机开发技术都以牛顿运动定律为基础。我所从事的飞机外形设计技术——计算流体力学（CFD），同样是基于牛顿运动定律、微积分和流体力学进行计算机模拟的，因此牛顿定律让我倍感亲切。

我曾经一度对“法则”苦恼不已。“法则”在词典中的意思是“支配自然界的原理和规律，以及主宰世界和宇宙万物的神的旨意”。青少年时期，我经历了一段迷茫的时光，虽然我觉得身处艰难的家庭和环境中的人生也是神法则的一部分，但又难以轻易接受这一事实。

根据万有引力定律，力与质量成正比。质量越大，力就越大。因为地球质量大，所以苹果会向地球掉落，瀑布也会向地面流下来。想到这个定律，我曾经陷入这样的想法：“我天生质量小，所以力量也弱。在法则的定律中，我只能是弱小的。”

但牛顿定律并非仅此而已。有作用力就有反作用力，掉落的物体也能重新弹起。自然法则影响着我们的生活，也运用于我的人生。人类制造并发射火箭至太空，流向地面的水吸收了太阳热量后变成水蒸气，重新回到空中。想想这些自然原理如何应用在我的生活中，并从中寻找方向，也是一件有趣的事。