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万有引力的本质是什么?

 Qinxq 2019-07-09

这个问题,其实按照目前的理论来看,是广义相对论对于引力本质的诠释。结论:

引力的本质是时空的扭曲,而时空其实是时间和空间,空间指我们生存的三维空间。

关于“引力的本质“这个问题,我们可以从人类探寻引力的历史说起。

古希腊时期的万有引力

最早探究引力的其实亚里士多德,他认为引力是物质的归位,重的到地上,轻的在天上,他把宇宙万物分为水火土气以及以太,水和土比较重有落到地上的趋势,水和火比较轻,有上升的趋势,而以太则是广泛存在于外太空的(他的原话是月上)

牛顿的万有引力

发现没有?早期人类认为天上和地下的物理学是不同的。直到牛顿出现,他在他的巨著《自然哲学的数学原理》里提出了牛顿三定律以及万有引力定律。

他的理论可以很好地解释许多现象,并且还能预测,最牛的是,一些行星不是通过天文学的观测观测到的,而是通过牛顿的理论计算找到的,所以在相当长的一段时间里,牛顿力学称为科学界的主流。他统一了天上和地下的物理学。

而关于引力,他认为时间和空间是相互独立存在的,而且是绝对的,意思就是说,对于任何人,一秒就是一秒,一米就是一米,没有任何差别,不受运动的影响。

他提出:物体之间存在引力作用,苹果之所以会掉到地上就是因为地球对于苹果有引力的作用。

引力和两个物体之间距离的平方成反比,和两个物体的质量成正比。

而引力则是一种超距作用,瞬间完成传递。如果太阳消失了,那么地球立马就会从轨道上甩出去。如果你要为牛顿引力的本质为什么是这样子的?他其实也答不上来,他有一度甚至提出这个问题需要后来人来解释。

而爱因斯坦和牛顿有不一样的观点,这是因为在他们之间,出现了一个物理学家,那就是麦克斯韦,他统一了电和磁,提出了麦克斯韦方程,并且预言电磁波的存在,还预言光是一种电磁波。后来赫兹用实验证明了麦克斯韦的理论。而在这个理论当中,光速成为了牛顿理论和麦克斯韦理论的矛盾点,麦克斯韦方程得出的结论时:

光速在任何惯性参考系的速度都是不变的。

但牛顿理论则认为,光速的大小取决于选取的坐标系。这就出现了矛盾,科学家为了统一牛顿理论和麦克斯韦理论,提出了“以太”的概念,可惜好景不长,实验物理学家证明了“以太”并不存在。

后来,爱因斯坦站在前人的理论基础之上,提出了他的狭义相对论,他认为:

光速在任何参考系下是不变的。

其次,他还认为:

空间和时间并不是独立的,也不是绝对的。和运动有关。

在狭义相对论的基础之上,爱因斯坦进一步提出了广义相对论,并提出了著名的爱因斯坦场方程:

广义相对论告诉我们,引力的本质是时空的弯曲。

地球之所以绕着太阳转,是因为太阳的质量压弯了时空,地球沿着测地线(空间中两点之间的最短距离)在运动。如果把这件事理解成平面的情况就是下面这样:

不过我们要知道的是时空其实是时间和三维空间的集合,所以如果是三维的,天体对于是空的影响大概就是下面这样:

但我们要知道的是,科学理论并不是你说咋样,就咋样的。还得靠实验说话,那到底引力是不是时空弯曲呢?

1919年,英国天文学家爱丁顿组织了观测。

根据广义相对论,太阳的引力会使得光线发生偏折,也就是说太阳附近的星星的视位置会因为太阳的引力而发生变化。

但是在黑夜里,又没有太阳,所以只能选择在日全食的时候进行观测。爱丁顿的团队选择在西非普林西比岛观测1919年5月29日的日全食。

这次日全食所得到的的数据,其实被爱丁顿筛选过,得出的有利于爱因斯坦理论的结论。不过后来,又有科学家针对爱丁顿的观测照片用现代仪器进行分析发现,无论是爱丁顿选择不用的观测照片,还是爱丁顿选择用的照片,得出的观测数据都更接近爱因斯坦的理论。也就是说,从观测上,爱因斯坦的理论误差远远小于牛顿理论的。

除了,爱丁顿的观测,其实爱因斯坦的广义相对论还验证了很多事情,并且预言了黑洞。今年人类也拍摄到了黑洞的景象。

还有预言了引力波的存在。并且在2016年由LIGO团队发现了引力波。

除此之外,诸如水星进动这样的现象牛顿的万有引力定律解释起来也很费力,但爱因斯坦的广义相对论就可以很好的解释。

基于这些实验观测,爱因斯坦对于引力本质的诠释才被科学界广泛接受,成为了科学界的主流认同。

所以,到目前为止,对于引力本质的认识就是:时空的弯曲。

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