什么是引力？

书蠹之家315 2018-01-31

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解释者: 什么是引力？

Lauren Fuge

2018/1/4

从牛顿到爱因斯坦, 我们关于引力的想法在过去几个世纪里已经显著的变化了。劳伦·福格解释这一切关于的。

两个黑洞彼此一起涡旋, 发出引力波。Mark Garlick / Science Photo Library

我们几乎不考虑它, 但引力定义我们怎样与我们的世界交互。我们在它的约束内成长, 并且我们的肌肉、平衡系统、心脏和血管都依赖于它。引力字面上支撑着我们------但它究竟是什么呢？

基本的想法

物理学家视引力为一种主宰宇宙的四个基本力之一,与电磁力和强核力和弱核力一道。一种被定义为相互作用的力改变一个物体的运动, 并且因此这四种力支撑着所有的物理学并定义在宇宙中一切怎样交互作用的------从星系浩瀚的宇宙到在一个质子或中子内把夸克紧紧束缚。

在这些力中引力是最弱的, 但它是我们已经晓知最久的一个。几个世纪以来, 我们知道了我们的脚被保持在地面上, 而行星被保持在围绕太阳运行的轨道上。甚至在数学上描述引力之前,十七世纪的天文学家和数学家约翰·开普勒就已经制定了来精确的预测行星的运动的定律。

不幸的是, 没有人有过任何第一位的为什么行星正在绕动的线索。

牛顿万有引力定律

艾萨克·牛顿进来了, 他意识到了在行星和太阳之间一定有一个作用力(他也定义了力是什么)。不管是否一个落下的苹果真的促使了他的灵光时刻, 他提出了来描述这一力的行为的方程式是革命性的。

F = Gm₁m₂/ r²

这个等式说引力是一种两个有质量的物体相互施加的作用力, 仅仅是因为它们有质量。力(F)的强度是正比于这两个物体 (m1 和 m2) 的质量除以它们之间的距离(r)的平方。G是一个测量这种力的基本强度的常数。

它归结为这样: 物体越大的多, 它们之间的吸引力越强, 而它们的距离越远, 这个吸引力就越弱。

著名的故事说大约1665年牛顿在看到在他的果园里一个苹果落下后第一次沉思了引力。Hulton Archive

考虑与牛顿相关联的引力启示的有关传说: 一个苹果从一棵树上掉下来。牛顿万有引力定律告诉我们, 不仅地球牵引在苹果上, 这个苹果也牵引在地球上。但地球的巨大质量意味着它用更多更多的力来移动它一个可观的量, 因此这个苹果翻滚下来而地球仍然实际上不动的。在一个更广泛的背景下也是如此。宇宙中的每一个天体正在吸引着每一个另外的天体, 但越近和它的质量越大，它的引力力量越大。

通过将几个数字插入这个方程, 我们能描述并预测几乎地球上所有的引力现象加上行星、彗星和卫星的运动。它解释为什么恒星会聚集成星系和为什么星系团聚形成星团的。

但这个方程式并不能完美的描述我们所看到的一切, 例如, 在水星绕太阳公转的轨道中某些渐进变化的大小。并且正如牛顿他自己甚至好奇了的, 一个力怎样能够瞬间的在一个甚至穿过这个空间的真空的距离上起作用呢？

爱因斯坦的广义相对论

在牛顿的宇宙中, 空间是一个像恒星和行星一样的天体移动穿过的平面和空的地方,但爱因斯坦采取了一个不同的方法。

在一个二十世纪的顶尖的科学成就中, 爱因斯坦和他的前教授赫尔曼·闵可夫斯基表明了空间和时间不是分开的实体, 而是一个单一的四维连续体。他们想象了它像一种织造一样穿过这个宇宙伸展。

爱因斯坦究因了任何有质量的天体都会与空时的织造交互作用并造成扭曲。正如一个经典的类比一样, 想象空时为某些像一个蹦床一样的东西。放置在中间的一个保龄球会弯曲这个织造并创造一个井。如果你然后在保龄球附近放一块大理石, 它就会涡旋绕着这个井被向内拉, 就像地球怎样绕着太阳旋转一样。

爱因斯坦的广义相对论因此把引力描述为不仅仅是一种力, 而且是几何学的, 它是一个物质怎样扭曲空时的结果。

与牛顿的理论不同, 广义相对论通过考虑到由太阳质量引起的空时扰动正确的描述水星的变化轨道。

自从爱因斯坦在1915年发表了他的理论起, 它已经获得了一个来支持它的高耸的观测证据。它正确的描述围绕太阳和遥远星系团的光的弯曲------因为随光沿着一个空时的轮廓由远到近经过它时质量弯曲空时。广义相对论也被引力红移的测量验证, 正确的预测恒星的引力是怎样伸展它们的光的频率的。

这张哈勃太空望远镜的图像是利用一个星系团创建的引力透镜产生的。NASA/STScI/ACS/ESA

最近的和壮观的, 引力波探测提供了大质量的天体不仅扭曲空时而且当两个如黑洞的天体猛烈碰撞时也能在它之中创造涟漪的确凿证据。

引力为一种基本力

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然而, 奥秘依然存在。引力可能是宇宙的基本力之一, 但它目前似乎根本的与其它的不相容。

甚至在爱因斯坦之前, 物理学家就努力制定一个单一的把宇宙的每一个物理方面包括所有的基本力和粒子联系起来的理论。一种"一切的理论"将是物理学的终极成就。虽然量子场论 (QFT) 成功的将电磁学和强弱核力带到了一起, 但它却与包括广义相对论斗争的。爱因斯坦在他的职业生涯的后半部分试图拼出引力怎样配进来的, 但没有获得很大的进展。将这两个理论框架联系起来是一个开放的研究领域, 跨越量子引力、弦理论、M理论等更多的领域。