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引力的本质是什么?平直时空到弯曲时空再到弦论,谁才是正确的?

2019-11-16  星辰大海...

对引力的认识是从重物坠地开始的,一个人从高处掉下摔死,即使古人不知道万有引力,他们也不会感到奇怪,因为这是日常世界的一个性质!因此古希腊伟大的哲学家亚里士多德总结了两种运动:一种是天然运动,另一种是被迫运动。轻的东西有“轻性”,如气和火,天然向上走,重的东西有“重性”,天然向下走。被迫运动依赖外力,一旦消失,运动停止!

从亚里士多德的结论中可以推导出一个概念,即轻的东西下落慢,重的东西下落快!尽管将近1500年的时间里也有人怀疑这个观点,但却一直到伽利略才真正提出质疑,比如纸团下落慢,铁球下落快,那么将它们绑在一起,不就是一个折中的速度吗?尽管伽利略提出了这个尖锐的观点,但却因为现实条件原因未能付诸实施。

传说中的比萨斜塔试验

尽管伽利略未能彻底解决这个问题,但与伽利略同时代的开普勒却为这个问题打开了一道通向光明的大门。开普勒的老师第谷是一个伟大的天文观测家,为什么称他观测家呢?因为他并不相信哥白尼创立的日心说,但他十分尊重他的观测记录,在他去世后,开普勒依靠第谷的观测记录,完成了相当伟大的发现。

第谷·布拉赫

开普勒通过对第谷观测火星的记录发现,火星围绕太阳(开普勒支持日心说)的轨道并不是一个正圆,他尝试了很多中方式来描述火星的轨道都失败后,偶然间使用了椭圆并且准确套用到了火星的轨道上,其实也是开普勒运气好,当时发现的几颗行星中,火星轨道的偏心率是最高的:

水星: 0.2056 金星: 0.0068

地球: 0.0167 火星: 0.0934

木星: 0.0483 土星: 0.0560

当然水星是最高的,但水星实在难以观测,因此这火星就成了第谷记录数据最多的行星,开普从火星为突破口,发现行星运行轨道的规律,总结出了行星运动三大定律,当然到现在为止,还与万有引力没有任何关系,但这成了牛顿突破万有引力定律重要支点!

一直有一个牛顿和苹果的故事,但大家都认为这是杜撰的,但事实上这苹果下落的原因和天上行星的运动确实有着不可分割的关系,哥白尼的日心说和开普勒的行星三大定律,为牛顿开创辉煌的万有引力时代打下了坚实的基础,牛顿认为他站在了巨人的肩膀上,这个形容没有错,他非常敬畏大自然,但却不屑于同僚探讨。

牛顿

1687年牛顿发表了《自然科学的哲学原理》,对万有引力和三大运动定律进行了描述,将开普勒的行星三大定律和万有引力论做了统一的论证,当然这只是刚刚开始而已,因为在此以后牛顿力学将会成为17世纪后300年内的科学发展的指导,其中最闪亮的一点就是发现海王星。

赫歇尔兄妹观测星空

自1781年赫歇尔发现天王星以来,天文学家发现观测到的天王星轨道和计算的不一致,因此一直就怀疑天王星轨道外侧还存在一颗行星,因为它的摄动才导致天文星轨道计算与实际观测的差异。1846年柏林天文台根据当时名不见经传的法国数学教师勒维耶的计算数据,不到1小时就观测到了天王星,距离勒维耶的计算位置不超过1°。

勒维耶

自1687年牛顿万有引力和三大运动定律发表以来,经过数代科学家的完善以及新理论的开创,经典力学时代在十九世纪末达到了鼎盛。拉普拉斯称如果知道每一颗粒子的状态,他将可以预测未来!甚至开尔文勋爵这样形容完美的物理学:“未来的物理学只能在小数点后七位显示存在”!

开尔文勋爵:威廉·汤姆逊

但一朵巨大的乌云正笼罩在物理学上空,首先发难的就是水星进动问题:1859 年,法国天文学家勒维耶根据水星150年的观测资料,发现了水星轨道的长轴存在一定的摆动现象,在排除了所有行星摄动影响后,仍然存在一个难以解释的误差,勒维耶认为水星轨道内测存在一颗行星,它应该距离太阳非常近!但经过多年观测这颗行星并不存在!

另一个则是看起来和引力没啥关系的迈克尔逊·莫雷实验零结果,本来是验证以太的实验,结果却证明了以太似乎并不存在,但其实这和引力关系相当大,因为牛顿发现了万有引力后顺手就盗取了以太的概念,将其作为引力的传递者,结果1887年的莫雷实验零结果,证明了以太不存在,尽管结果仍待验证,但这个结果实在太过震撼,以至于动到了物理学的根基!

洛仑兹急着推出了洛仑兹变换来解释以太漂移实验的零结果,他的洛伦兹变换成功的解释了零结果,但他却死守以太概念以至于错过了一个伟大的发现,而庞加莱则以光速同步本地时来解释同时性的相对性概念,同样也走到了伟大发现的边缘!但历史没有如果,注定要让爱因斯坦来摘取这果实,因为胜利终是属于具有果断以及开创性的那一类人!

爱因斯坦刚好具有这两个特质,狭义相对论在1905年发表了,直接抛弃了以太的概念,推出了光速不变以及相对性原理两个前提,总结出了狭义相对论,但别开心得太早,因为这中间仍然有一个非常重要的概念没有解决,引力到底是依靠什么传递的?

这还得等待十年,从狭义相对论发表以后,爱因斯坦就开始了如何将狭义(匀速直线运动)推广到任何运动下都适用的理论,而这十年中有部分时间是爱因斯坦在补黎曼几何的课,因为未来将要诞生的广义相对论描述的是光怪陆离的宇宙时空,1915年爱因斯坦完成了广义相对论,但他到了1916年才发表,这是一个颠覆牛顿力学的理论,以至于科学界对待广义相对论犹如天书,但这并不影响广义相对论犹如野草一般生长,首先下手的就是一直悬而未决的水星进动问题。

广相描述的宇宙时空

广相认为大质量天体会扭曲周围的时空,而水星的轨道偏心率高达0.2056,是八大行星中偏心率最高的,因而水星在经过远日点和近日点时时空弯曲度差异很大,因此用万有引力平直时空计算的轨道误差值,减去摄动后仍然有一个无法解释的进动角度。这当然也归功与将近150年水星轨道的观测数据,但也要感谢勒维耶精确计算以及不忽略误差的精神。第一个开刀的水星进动被完美解决,广相威力开始显现!

夸张的水星进动轨道

此后1919年爱丁顿对日食的观测验证了引力弯曲光线的理论,其实从质能方程也能推算出引力能弯曲光子,因为光子具有能量,但值却只有广相计算的一半,而太阳引力弯曲光线的角度比较偏向广相的计算值,这其实也是爱因斯坦运气比较好,因为1919年的日食时太阳挡住的是毕宿星团的亮星,方便爱丁顿的观测验证。

1922年苏联数学家利用广相引力场公式,假设宇宙物质分布是均匀的,计算出了宇宙的形状,而他发现宇宙在绝大部分情况下都是膨胀的,勒梅特在1928年取得了相同的结果,1929年哈勃观测到遥远的星系正在加速原理,验证了弗里德曼和勒梅特的计算结果。这表明宇宙在很早期时曾经处在一个很小的范围内,后来它将发展成宇宙大爆炸说。

伽莫夫在二战后为完善大爆炸理论,提出了太初合成理论,他的同事则根据大爆炸推测出宇宙中存在大爆炸余晖的辐射,也就是预言了宇宙微波背景辐射的存在,这后来在1964年被验证,太初合成理论中的原初物质丰度也在后期的射电观测中被一一证实!

其实关于引力的本质到这里就可以结束了,因为广相已经完美的解释了引力就是质量弯曲时空,而后期的多项预测与后期的观测也完美贴合,当然2015年底观测到引力波是锦上添花。但这远未结束,因为广相和量子力学在黑洞奇点上出现了严重的冲突,也难以在大一统理论上更进一步,因此弦理论试图在引力的本质上做出解释。

弦理论认为组成世界的有两种弦,开弦和闭弦,开弦的横向振动产生光子,质量则通过弦通过振动会具有“振动能量”产生,根据质能方程,能量将和质量等价!而引力则通过在“开弦”之间,通过交换“闭弦”传递引力,也可以在“闭弦”之间,通过交换“闭弦”传递引力。但杨振宁对弦理论似乎有些不太感冒,因为杨振宁认为实验+理论的物理才美,而建立在纯理论上的弦理论犹如没有根基的大厦,一点都不美!

刚刚广相搞明白了引力是质量弯曲时空,又被弦理论搞糊涂了,引力到底是什么,也许我们未来还有很长的路要走!

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