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什么是重力?爱因斯坦提出广义相对论后,牛顿的定律是错的吗?

2019-12-24  恋上咸鸭蛋

每当我们对重力有新的发现,我们就会用新的眼光看待我们周围的世界。

图片:跳伞

重力是物理学中的四大力之一,但是我们理解的重力正在逐渐发展。

什么能比重力更常见?投出某物,重力使它落到地面,难道不是吗?在学校我们学习到:重力指引月亮在地球周围的轨道运行,指引地球在太阳周围的轨道运。

重力使我们的脚固定在地面上。它指引每个罚球投篮的轨迹,也指引着每个我们曾经发射或者将要发射的宇宙飞船的轨迹。它确实把宇宙维系在一起。

图解 :地球引力场中的引力探测器B

重力是物理学中已知的四种力之一。其他的是控制电、磁和光的电磁力,以及一对在原子核内微小距离内运行的核力。与我们的直觉相反的是,重力是所有力中最弱的一个。一个小的冰箱磁铁足够从桌上吸起一个回形针,即使整个地球的质量都在把它往下拉。

图解:万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

为什么一些科学家说物理学已经偏离了轨道?

从艾萨克·牛顿和他的苹果时代开始,我们对重力的认识就一直在发展,现在依然如此。每当我们对重力有新的发现,我们就会用新的眼光看待我们周围的世界。

图解:被称为牛顿苹果树后代的一颗苹果树,发现于剑桥大学的植物种植园。

牛顿的洞察力

在1666年,23岁的牛顿从剑桥大学回到英国乡村的家。几年后,他告诉一个传记作家,在一个慵懒的下午,他陷入沉思,“因为一个苹果的掉落”,他的思绪转向了重力。牛顿不是第一个注意到苹果从树上掉下来的人。当他从数学上证明苹果对地球的引力一定与月球在轨道上的引力相同时,他产生了伟大的见解。

牛顿引力定律的核心——现在被称作万有引力定律——宇宙中的所有物体在不断地吸引着其他物体。力的大小和质量成正比,换句话说,物体越大,引力越大。

图片:艾萨克·牛顿的印象牛顿在伍尔索普的果园里,一个苹果掉了下来,让他思考万有引力。

重力的大小也随着物体之间的距离减小。正如物理学家所说,力与它们之间距离的平方成反比。这就是说如果你使两个物体之间的距离加倍,它们施加给彼此的重力的大小只增大四分之一。

牛顿是这样描述引力的:万物吸引万物,无论它们在哪它们距离多远。但是一些引力的概念使他烦恼。力是如何在真空中起作用的?

图解:牛顿自己的《自然哲学的数学原理》副本,并带有为第2版所作的修正。

纽约《地心引力:揭开我们脚下的秘密》(2019年出版)一书的作者理查德·帕内克说,“那种‘在远处有吸引力’的想法对他来说毫无意义。” “在他生命的最后,牛顿说:或许有一天,我们将找到这个有这种影响的东西”。

爱因斯坦的革命

200多年后,引力作用于真空的谜团已经被阿尔伯特·爱因斯坦解决,他的广义相对论用一种新的方式描述了引力。牛顿认为引力是一种力,而爱因斯坦将它看作一个自我扭曲的空间,就像帕内克说的,“牛顿描绘引力是一种跨越空间的运动,但是爱因斯坦将它看作是物质和空间的相互作用。”

图片:1931年1月,阿尔伯特·爱因斯坦在洛杉矶郊外威尔逊山天文台的黑板前。天文学家们最近用威尔逊山的望远镜观测到宇宙正在膨胀。

空间的扭曲固然难以想象。一个有用的类比:就像一个保龄球掉落在橡胶板上,扭曲橡胶板的表面。现在想象一个大理石在纸上滚动。因为表面是扭曲的,大理石沿着弯曲的路线滚动。这个大理石的运动就像保龄球被施了一个力在上面。

爱因斯坦的引力概念意味着牛顿的是错的吗?不是的。只是爱因斯坦的理论更准确和全面。如果你正在计算一个扔出的棒球什么时候砸向地面,或者计算下一次月食发生的时间,牛顿引力定律是适用的。但是,在极端的情况下,例如,当涉及到一个巨大的物体,你需要爱因斯坦的更准确的方程。只有通过爱因斯坦的广义相对论,我们才能理解像黑洞这样的外星物体和像引力波这样的现象的运作方式。

图解:在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞(模拟图),背景为银河系

在大多数情况下,科学家仍然像牛顿那样,将引力看作一种力。甚至宇航员也倾向于用牛顿力学思考重力。1968年12月,当阿波罗八号宇宙飞船从月球返航时,宇航员比尔·安德斯打趣道:“我认为艾萨克·牛顿现在是主要的驾驶员。”

图解:在室女A星系中心的黑洞,此为人类首次观测并得到确认的黑洞影像

重力的未来

尽管爱因斯坦的理论在帮助物理学家解决天体物理学和宇宙学的诸多问题上取得了成功,但它可能并不是引力的最终定论。这是因为还没有人想出如何将广义相对论与另一个伟大的物理学理论——描述亚原子领域内部运作的量子力学——调和起来。“问题是广义相对论不适合量子力学,”帕内克说。“重力是四种力中唯一没有量子解释的。”

图解:爱因斯坦解释广义相对论的手稿扉页

物理学家希望有一天一个更完备的理论能将广义相对论和量子力学结合起来。如果这件事发生了,我们将能再次以一种新的视觉看待引力。

相关资料延伸阅读

广义相对论是现代物理中基于相对性原理利用几何语言描述的引力理论。该理论由阿尔伯特·爱因斯坦等人自1907年开始发展,最终在1915年基本完成。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律与狭义相对论加以推广。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。

图解:行星绕恒星作公转的经典力学轨道(红)和广义相对论轨道(蓝)比较

从广义相对论得到的部分预言和经典物理中的对应预言非常不同,尤其是有关时间流易、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题,例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——广义相对论虽然并非当今描述引力的唯一理论,但却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过仍然有一些问题至今未能解决。最为基础的即是广义相对论和量子物理的定律应如何统一以形成完备并且自洽的量子引力理论。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. nbcnews- Dan Falk- YY

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