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引力理论发展简史:从牛顿的万有引力到爱因斯坦的时空弯曲

2018-11-16  邵科运

科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第四课:引力理论发展简史】

想必大家对万有引力理论再熟悉不过了。我们都知道有质量的物体会相互吸引,这是引力的精髓思想。但要是仅知道这点东西,那么你对引力的认识还很肤浅。

在牛顿功成名就之后,他曾说过这样的名言,“如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在巨人的肩膀上”。诚然如此,在牛顿之先,前人已经探索了万物的运动规律。

不管是古代东方还是西方,都有类似天圆地方的自然理念。那时候的人类无不认为浩瀚无垠的星空都是绕地面旋转着,多彩的繁星是神创造给人类的黑夜点缀。

可是哥白尼的出现,让地心论第一次感受到了危机。哥白尼发现,如果所有的天体绕地球旋转,那么星体的运动轨迹就复杂无比。倘若星球绕太阳旋转,那么事情就简单得多。

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本着“如了无必要,勿增实体”的哲学理念,中年时期的哥白尼提出了日心说。但担心遭到教会的迫害,就辩称自己的理论不违背《圣经》 。尽管认怂了,他依旧忧心忡忡,毕竟在那个年代,敢质疑教会的人只会遭到火刑的惩罚。哥白尼直到晚年才发表了自己的《天体运行论》,日心说的思想被广泛传播开来了。

哥白尼的继任者是布鲁诺,这家伙比哥白尼的思想还激进。他不仅承认日心说,甚至还提出了超前沿的无限宇宙学说,认为宇宙是无限大的,太阳只是众多恒星的一个,宇宙中有无数多的“太阳”,地球和人类在宇宙中只是渺小的蝼蚁。罗马教廷听了如此“混账”的言论后火冒三丈,严刑拷打了布鲁诺,逼着他忏悔。最后不屈不挠的布鲁诺被活活烧死。

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布鲁诺之死,1600年

和布鲁诺同时期的还有一个占星师,这就是第谷,他夜观天象,天天研究天体们的运动。得出了大量的天体运动数据。结合数据分析,第谷认为天上的行星的确绕太阳旋转,但他却不是哥白尼的簇拥者,第谷认为即便天上的行星都绕太阳旋转,但太阳却会携带着众多的“小弟”又绕地球旋转,反正地球还是老大。第谷或许是吸取了教廷反对者的前车之鉴,不得不投靠地心说,毕竟活着不好吗。值得一提的是,第谷这种“星绕日,日又绕地”的理论传到明朝后,甚至一度被接纳!

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第谷有个助手,也是他的学生,叫开普勒。在第谷死后,开普勒继承了第谷的研究。并提出了开普勒三大定律。

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开普勒

他发现第一条定律:所有的行星都以椭圆轨道绕太阳旋转,太阳处于椭圆的一个焦点上。

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太阳位于其中一个焦点

第二条:行星距离太阳近时就运动得快,远时则快,并且单位时间内行星扫过太阳的面积相等。

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单位时间内扫过的面积相等

第三条:任何两个行星的周期T的平方正比于它们各自轨道半长轴a的立方,所以常数k=a³/T²

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开普勒第三定律动态演示图

以上是牛顿之前,西方对天体的研究简史。回到地面上,伽利略这时候察觉到了一个极其重要的规律。他认为,如果一个物体没有受到任何外力的干扰,那么该物体就会永远保持最初的状态。一个物体起初静止,若没有外部干扰,它就永远静止。如果物体起初就运动着,若没有外部干扰,那它就一直保持匀速直线运动。这就是惯性定律的雏形,可是伽利略并不清楚其中的缘由。

这时候压轴大神登场了。牛顿结合开普勒的三大定律和伽利略对惯性的思考提出了惊人的万有引力定律。

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牛顿

牛顿在想,为什么地球不是匀速直线运动在宇宙中?地球貌似没有受到任何外力啊,地球绕太阳旋转,肯定是一种力施加给了地球,这个力是太阳给的吗? 当牛顿的看到苹果落地之后,启发性的认识到万有引力后。这时候他才知道,太阳也给地球施加了引力。

地球吸引了苹果,在引力的作用下,苹果落地了。那太阳也给地球一个力,为啥地球不落向太阳呢?

牛顿认为地球也会落向太阳,但地球一开始就有一个初速度,在引力的作用下,地球偏离了原有的初速度方向而落向太阳,就和平抛运动一样,不过由于地球初速度比较大,导致地球绕太阳一周都没有落到太阳表面,于是地球就绕太阳旋转了。

结合开普勒定律,牛顿认为两个物体距离越远,其吸引力越小,所以引力大小和距离的平方成反比。如果两个物体质量越大,其吸引力就越大,所以引力大小和彼此的质量乘积成反比。

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万有引力公式

为了让万有引力的力和牛顿第二定律的F=ma统一起来,就需要一个引力常数。后来卡文迪许通过扭秤实验精确的测量出来了引力常数G,这样万有引力公式就完美了。有了常数G,人类终于计算出来了地球的质量。

牛顿提出万有引力之后,陷入到一个更深度的问题中。是什么推动了引力?牛顿的答案就是上帝。还有一个问题羁绊着牛顿,这个问题甚至为相对论的建立埋下了伏笔。牛顿在思考,在宇宙深空中,两个星球的引力是通过什么传递的?生活中你要搬动一张桌子,就要接触到它,不可能凭空移物,这时候手就是力传播的介质;吹灭蜡烛,是因为嘴巴先把力传给了空气,空气的气流再把蜡烛扑灭;在水面上放一个小球,搅动水面,小球就会被动颠簸起来,这时力的传播借助的是水,我们很容易得出这样的结论:力传播的介质必须是物质

而在宇宙中,一个星球和另一个相隔那么遥远,彼此还有一种吸引力,那么谁来充当引力传播的介质? 反正真空是不可能传递力的,引力作用也不可能是超距作用,那这个介质又由谁来充当?这时候牛顿就借助了亚里士多德的以太概念,牛顿让以太这种“物质”胜任引力介质的艰巨任务。牛顿认为:正是宇宙中充满了看不见摸不着的以太,才使得引力的传递有了介质。以太就是引力作用的传播者。

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充满“以太”的宇宙

就是这个以太,可把后来的物理学家“害惨了”(调侃而已,以太也间接地促进了科学的发展)。光说无凭,你倒是验证啊!后人用了100多年的时间,进行了大量的实验,反正就是找不到以太的存在证据。其中有个迈克耳逊-莫雷实验还直接否定了以太的存在。这时候牛顿的万有引力赤裸裸地变成了“超距作用”,没有人愿意相信这一切,连牛顿本人也不愿相信。用网络流行语来说,牛顿终于把引力理论变成了自己不愿相信的理论了。在微观领域,伴随着量子力学的发展,牛顿力学瞬间有凉凉的节奏。

直到1915年,爱因斯坦提出了新的引力理论,也就是时空弯曲理论才解决了引力的介质问题。

在时空弯曲理论中,压根就不需要什么以太充当引力的介质。因为连引力都是表象,本质是时间和空间的弯曲。太阳的巨大质量导致周围的时空弯曲的异常明显,而地球又在太阳周围的弯曲时空中运动,就不得不沿着弯曲的时空前行。地球就相当于车辆,时空就相当于道路,道路都是弯曲的,在其中行驶的车辆路径怎么可能不弯曲呢!所以地球就显得绕太阳旋转,就好像有一种力拽着地球一样,这就体现出了所谓的引力。

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时空弯曲

现在我们依旧接纳牛顿力学,只不过把它从神坛中拉了下来,在原子尺度以下和光速10%之上的领域把牛顿除名了!当然,牛顿力学依旧在低速,宏观领域发挥着重要作用。

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