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没有它,就没有我们的世界

 本草之经世济民 2013-06-02

  引力让月亮围着地球转,地球围着太阳转,太阳围着银河系转。没有引力,地球上的生命也无法存在。

  物理学家布莱恩博士试图揭开宇宙的奥秘,并与引力发生了冲突。他试图在月亮上发射激光,来证明牛顿万有引力定律的不正确。他究竟成功了吗?

  今天20:50,华数互动电视《世界地理》频道(频道号:110,10元/月,订购咨询:96371)将带你探索《引力的奥秘》。

  维系银河系的神奇力量

  自然界有一种力量,一种困惑了众多伟大科学家的力量。虽然伽利略打下了研究这种力量的基础,但他没能进一步了解它,牛顿认为它是上帝的杰作,甚至连爱因斯坦,都没能解开这个谜题。

  这个奥秘是世上一切问题的核心,从宇宙大爆炸和时间的开端到地球上生命的存在,从宇宙中奇特的畸变到最细微的物质成分,这个谜题引发了现代科学史上最激烈的争论。

  但许多科学家认为我们这一代人或许能成功突破这个难题。

  布赖恩·考克斯是一名粒子物理学家,他的工作是要找出宇宙最基本的组成部分,分析它们怎么结合在一起,怎么发挥作用,如果幸运的话,再找出它们存在的根本原因。

  过去的十年里,考克斯一直在观察宇宙中最小的物质,但他想探究的却是那些最宏大的问题:人们为什么存在,地球为什么是现在的样子,宇宙为什么是现在的样子,宇宙为什么以一种万物可以生存的模式存在?

  这一切问题的根本是自然界的一种力量,这种力量包围着人们,并将整个银河系联系在一起。对宇宙更深层次的理解,对人们在宇宙中地位的理解其关键就是引力。

  正是引力让太阳在五十亿年前开始燃烧,没有引力,就没有行星,没有恒星,更没有星系。

  一个苹果引发的伟大思考

  引力是怎样发挥作用的,这个问题困扰了科学家很长时间,甚至可以追溯到古希腊时代。十七世纪末,在英国林肯郡的一个小村庄里,有一个人潜心研究过引力问题,这个人就是现代物理学的鼻祖,艾萨克·牛顿。

  关于牛顿、苹果与引力的故事,已经被说过无数次了。牛顿认为苹果落地是由于一种吸引力的驱使,这种力量自然地存在于苹果和地球之间,这种力量就是为我们所熟知的引力。

  但牛顿真正了不起的地方在于他没有停留在苹果的层面上,而是由此想到一个问题在地球上使苹果落地的力量,是不是也主宰着地球以外宇宙中更大物体的运动。牛顿认为引力是一种力量,这种力量在整个宇宙中发挥着作用。

  1686年,他终于将整个问题归结为一个数学等式,他认为物体间的引力与两个因素有关,即它们的质量和它们之间的距离,物体质量越大,吸引力就越强;物体的间距越大,吸引力就越小,这就是牛顿著名的万有引力定律。

  牛顿的万有引力定律是物理学界的重要转折点之一,这是因为它确实在全宇宙通用。它不仅预测了在引力作用下地球上的物体是怎样运动的,还阐释了恒星、行星甚至是星系在整个宇宙中的运动。

  牛顿并不是百分之百正确

  牛顿的万有引力定律至关重要,它帮助人类从地球到达了月球,但我们现在知道,牛顿并不是百分之百正确。

  考克斯来到了得克萨斯州的埃尔帕索,这里是美国与墨西哥的边境,他此行的目的是弄清楚牛顿到底错在哪里。

  1969年,尼尔·奥姆斯特朗和巴兹·奥尔德林,在月球上留下的不只是脚印,他们当时留下了一组特殊的镜子,可以用来检验牛顿的引力理论,那些镜子在这里扮演了重要的角色。

  考克斯所到之处就是阿波罗太空计划仅存的前哨基地之一,它就是麦克唐纳观测台,距埃尔帕索有四小时的车程。在这里,考克斯与工作人员,借助一台能够发射激光的望远镜眺望月球上的镜子,他可以精确测出地球到月球的距离。

  通过精确计算地球到月球的距离,一份极为精确的月球绕地球运行的轨道图出现了,但这却带来了一些令人意外的结果,就是月球运行的实际轨道与牛顿当初预测的有所不同。

  考克斯发现牛顿关于引力的简单定律并没有解开所有的疑问,以过去的数据来说,牛顿总结的公式已经相当不错了,但并不完全正确。

  如果以牛顿的万有引力定律来预测月球的位置,那么月球会出现在错误的位置。考克斯的测量结果与牛顿的预测大约有十米的偏差,十米听起来可能不算多,但这意味着牛顿出错了。

  考克斯觉得必须对观测数据做出合理解释,但牛顿的万有引力理论,已经不适用了,如今的观测数据太精确了,人们需要其他理论来支持。

  相对论改变人们对宇宙的看法

  考克斯认为有一位物理学家的思想是不受任何条条框框的约束,他是有史以来第一位明星科学家,被很多人称赞为十九世纪末二十世纪初最伟大的物理学家,他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

  他科学理论开拓了人们的视野,让人们以全新的眼光来审视宇宙。爱因斯坦认为宇宙是由时空组成的,空间就是人们放眼四周看到的这个,它有长度、宽度、高度,

  至于时间,它只是一分一秒不停地走着,但在爱因斯坦的宇宙观中,它们共同交织成了一种结构,空间和时间不再是分开的两个事物,它们是同一个事物,而这种构造就是所谓的时空。

  这种关于时空的奇怪想法,无疑是颠覆性的。这是一项空前的创举,爱因斯坦的相对论彻底改变了人们对宇宙的看法。

  在牛顿眼里的宇宙就像一个舞台,一座竞技场,所有事情都在这里发生,但这个舞台就像一个盒子和你能想象到的一样,恒星、行星、人类都在里面按部就班地运行着。

  而爱因斯坦的智慧体现在,他意识到我们不需要这个盒子,世界是由时间和空间构成的,宇宙中发生的一切都会影响到时空,而时空也会影响宇宙中发生的一切。

  牛顿眼中的宇宙是一片虚空,恒星和星系相互影响,但仅此而已。爱因斯坦的宇宙观则截然不同,即宇宙内部存在一种结构,也就是时空,所有天体都被嵌入这个结构中,并且都与它相互作用。

  在爱因斯坦的宇宙中行星、恒星、星系可以让时空弯曲、折叠、变形。爱因斯坦说,我们的星球造成了时空变形,正是这种宇宙内部结构的弯曲,创造了我们所感受到的引力

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