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万有引力的实质是什么?

 汉上踏歌 2017-11-23

人类受到的重力并非力,而是你应当匀速直线运动的路径被地壳挡住了,就像斜坡上的小球被砖块挡住了路不再继续向斜坡下滚一样。如果没有空气的存在,人只有失重感,而不会感知到自己在向地心运动,这有一个著名的思想实验,把你关在封闭的电梯里,然后做自由落体运动,你是不能判断出自己是在太空中失重的还是在地壳附近做自由落体运动的,因为两者效果是完全一致的。所以没有地壳空气等阻力,你将是做匀速直线运动。

此时还有一个问题,就是有空气时自由落体都是g加速度的,为什么我说是匀速直线运动?因为时间和空间,你脚底的时间流逝慢,头部时间流逝快,且脚的空间比头部的空间更弯曲。如果你无法想象,可以借助磁场来辅助思考,一块磁铁,越靠近磁铁磁场线越密,一根有长度的铁棒顺磁场方向放置,此时离磁铁近处铁原子受到磁场吸引力比远处大,就好比你脚的引力比头受到的大一样。当然磁场也不是力,也只是场,和弯曲空间一样的一种场。你可以把弯曲空间想象成时空场。时空场与你的能量相互转化,看似是获得动能,实际是能量转化为你的时间流逝变慢的资本。也就是你落向地心的时候你换来了比之前慢的时间流逝,这类似时空穿越,请原谅现实的时空穿越这么无力。这是场能转化为钟慢和尺缩的关系。所以你做的是匀速直线运动,如果觉得加速度太快太难以相信,可以参考真空状态下羽毛和铁球下落速度居然是一样快的结果。

物理学家从未停止过对于引力本质的研究。众所周知,关于引力的第一套理论是牛顿提出来的平方反比理论。

在牛顿的引力理论中引力的公式跟静电场的库伦力公式是非常相似的。因此,在牛顿的引力理论中,我们可以类比电磁场,将牛顿引力公式中的m(也就是质量)当作是引力的“荷”,就像我们把库仑力公式中的Q当作电荷一样。这也就是牛顿对引力来源的解释,同时该公式也给出了“引力质量”的定义。

但是在1905年后,爱因斯坦提出了狭义相对论。如果狭义相对论是正确的,那么物理学规律就应该服从它。因此,物理学家就拿狭义相对论去检验当时已有的物理学理论:麦克斯韦电磁理论?ok,麦克斯韦电磁理论服从狭义相对论。牛顿引力理论?no,牛顿的平方反比引力理论不服从狭义相对论。因此,爱因斯坦花了十年时间又创立了另一个引力理论,那就是广义相对论。在广义相对论中,引力不再是一个“力”,而是时空弯曲的几何效应。

当爱因斯坦提出这个广义相对论后,当时大部分的物理学家也是将信将疑,直到后来广义相对论解决了水星近日点进动的问题,并得到了实验的验证,大家才慢慢接受了这个理论。可以说,广义相对论是目前经过试验检验精度最高的引力理论。而在在广义相对论中,时空的弯曲是由物质引起的,所以从这个角度看万有引力的来源是物质。不过和牛顿引力理论很大的一个不同是,我们这里指的物质,不仅包括你常见的桌子、椅子等,还包括能量。

不过广义相对论不会是引力的终极理论,目前有许多量子引力理论企图把引力的本质了解得更清楚一些,比如弦理论、规范引力理论、圈量子引力理论等等。相信在不远的未来,我们定会对引力来源、引力的本质有着更加深入的理解。

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