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让爱因斯坦尴尬了一小会儿的牛顿万有引力 | 王木头讲科学

2017-09-06  书法初步




音频在哪里?音频在这里。


今天是王木头讲科学的第18期节目。



来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。




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让爱因斯坦尴尬了一小会的引力 来自把科学带回家 07:37


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我们知道,光的速度有限的,不会有任何的信息能以超光速进行传递。可是一想到牛顿的万有引力爱因斯坦就感觉到尴尬了。大家可以想想看,牛顿是怎么理解万有引力的?大家还记得我们前面讲过的引力大小和距离有个平方反比的关系吗?只需要知道了距离,然后再知道两个物体的重量,准确的说是质量,那么这个吸引力的大小就可以得到确定。

你肯定会说了,没错是这样的,可是这就能让爱因斯坦感觉到尴尬吗?大家可以注意一下,牛顿的理论里面,引力的大小是和时间没有关系的。和时间无关,这可就麻烦了。大家想想看,我们地球绕着太阳转是因为太阳吸引着地球,可是如果突然把太阳拿走了会如何呢?牛顿肯定会这么认为的:因为引力的大小和时间无关,既然太阳突然消失了,那地球就会像脱手的链球立刻就飞出去了。也就是说,地球会立即感觉到引力消失。



如果真的是这样的话,那就可以做出超光速通信的设备来了。怎么做呢?需要两个东西,一边一个,一个是发送器,一个是接收器。发送器很简单,只要拿着一个重东西前后移动就可以,因为距离接收器的距离发生了变化,所以接收器就能感觉到引力的变化。这样就可以通过发电报的方式传递消息了。

接收器呢会复杂一些,因为引力本来就比较弱,所以就需要接收器灵敏度非常高,发送器稍微有些变化都可以感受到。按照牛顿的想法,引力会超远距离,不花费时间地进行传递,所以发送器发出信息,不论多远瞬间就会被接收器接收到,这就超光速了。

1905年爱因斯坦最开始公布的相对论,是解释不了这个问题的。所以只能是先尴尬地假设在没有重力的情况下相对论有效。可是这怎么能行呢?宇宙中到处都有重力,怎么能不考虑呢?所以爱因斯坦并没有停止脚步,又用了10年把重力的情况考虑了进去,对原来的理论提出了扩充。于是才有了后来的狭义相对论和广义相对论之分。

狭义相对论因为没有考虑重力的情况,所以一般是用在电磁领域。通常情况下重力对电和磁的影响不大,这样去考虑会让很多问题大大简化,方便计算和应用。而广义相对论则用来研究宇宙空间,还有重力非常强的天体,比如黑洞。


电影《星际穿越》中的巨大黑洞卡冈多亚


我们在第4期内容里面讲到过的,爱丁顿观察太阳日食来就是来验证广义相对论的。经过广义相对论修正之后,重力大小就和牛顿的理论就出现了差别。而且爱因斯坦还用这个差别解释了一件让人觉得很奇怪的现象。

这是一个天文学的问题,差点让水星不再是距离太阳最近的行星了。这是因为天文学家们发现,水星的轨道有些奇怪。如果是按照牛顿的理论,水星的轨道计算出来应该是一个稳定的椭圆形,可是实际的观察却出现了偏差。水星就像是一个快要摔倒了的陀螺一样,每次绕太阳一圈就会和之前的位置偏离那么一点点。大家可以看一下下面这个图,就是这个样子的。



这种类似的情况以前也曾经出现过,那一次是天王星的轨道和计算出来的结果出现了偏差,结果呢,科学家们就推测在它的外面还有一颗大行星,因为这颗行星的引力才影响了天王星的轨道。可是这颗行星太远了,很难通过望远镜直接定位发现它。

后来还是在数学家的帮助下,先通过计算确定了它在天空中的位置,然后才用望远镜观察到了它。其实这也是唯一一次用数学来帮助天文学家找到行星的情况。

难道这次水星轨道的异常也是这样吗?会不会是因为一个从来没有被发现的行星隐藏在水星轨道的更里面,而正是它影响了水星轨道。

有一些科学很兴奋,觉得机会来了,如果自己能找到这颗行星的话,那就是又一次用数学指导了天文发现。他们还很正式地给这颗未知的星球起了名字,叫做火神星。估计是想到了距离太阳这么近,比水星还近,那温度一定是非常热的,叫火神星很恰当。

可是,当爱因斯坦把广义相对论发表出来之后就彻底地否定了火神星的存在。水星会出现这样的情况,只是因为牛顿有关重力的理论出现了瑕疵。

广义相对论就从压缩空间的角度解释了水星这种情况是正常的,根本就没有什么火神星在影响它。而广义相对论在大多数情况下和牛顿的万有引力理论是差不多的,不同的地方有,只不过非常少。只有当其中一个物体的重量特别大,并且还距离比较近的情况下,才会和牛顿理论出现偏差。平时这一点根本就不需要考虑,就比如太阳系中的其他行星,只有水星因为距离太阳太近了才观察到了这样的偏差。






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