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万有引力的本质是什么?

 罗宋汤的味道 2019-12-28

何为万有引力?其实所有对于力的描述,都是用来解释世界万物是如何运动的。在牛顿之前根本就没有“力”的概念。而概念是物理学沟通中的一个重要工具,是思维与想象之间的根本区别。要探究万有引力这个概念,最好先从人类关于“运动”的故事开始。

牛顿之前的“运动”。

有这样一个事实:在牛顿之前,对于我们生活的这个空间里,物体如何运动,一直无人能解答。

正因如此,那个时代的世界被命运的精灵和魔鬼所控制。一些魔法、巫术、迷信的思想,是那个时代的热门话题。即便古希腊的哲学家们,也将物体的运动归结于,它们是否具有和人类一样的欲望或者情感。所谓的“水火土气”具有各自的本性,它们遵循本性而运动。物体之所以会停下来,只是因为“”了而已,一些物体之所以会掉在地面,是因为它们渴望与大地合二为一。

以现在的科学语境来解释,就是力是维持物体运动的原因。物体只有在为外力的推动下才能一直运动,外力一旦停止,运动也就停止。这也正是亚里士多德的主张,而这种说法一直从公元前4世纪,延续到了公元后16世纪。

牛顿开启的力学观。

1666年,23岁的牛顿,驱除人类脑中被亚里士多德学派植入的精灵,提出了力的概念,并描述了力的三大特质(牛顿力学三定律)。而且人类第一次可以用简单的公式,来预测物体未来的运动轨迹。

而牛顿之所以能建立万有引力定律,皆因洞察到苹果坠落的秘密。世界万物都在掉向地球,这就是牛顿发现的物理图景。牛顿意识到,如果他站在一个山顶上,只要以足够大的速度扔出一块石头,石头就可以像月亮一样,永远围绕地球做自由落体运动。

而石头的速度,取决于扔出它的那一瞬间,因此牛顿认为力是瞬时的,更是一种超距作用。比如太阳如果突然消失,牛顿认为地球就会立即飞离自己的轨道,飘向宇宙深渊之中。这也就意味着,地球上的时间与太阳上的时间是同步的,乃至于宇宙整个空间的任何一个位置的时间都是同步的。这就是牛顿的绝对时间观。在地球上的一米,到宇宙中任何地方,都是一样的长度,不会发生任何变化。这就是牛顿的绝对空间观。

当牛顿建立了这种绝对空间与绝对时间的常识概念,空间和时间就能构成一个绝对的参考系,可以描述我们日常生活中所有的运动。而引力到底是什么?牛顿并没有去想,因为他兴奋地沉浸在他建立的万有引力定律对万物运动的预言之中。

打破超距作用的场概念。

1860年,麦克斯韦继承了法拉第关于“”的概念,并建立起了场的数学表达式。虽说麦克斯韦研究的是电磁现象,但他所完善的场概念,被爱因斯坦称为是物理学自牛顿以来最深刻的成果。

在麦克斯韦的场概念中,电磁力的传播,不像牛顿的力那样是瞬间作用,而是需要时间来传播的。而且在揭示了电磁波与光之间的关系之后,关于光速的描述,让经典物理学的两大支柱:牛顿力学与麦克斯韦电磁波理论产生了无法调和的矛盾。

牛顿力学描述的速度,是可以叠加的。而麦克斯韦的电磁波理论中,光速却是恒定的。同样是对速度的描述,为什么万物适用的牛顿力学对于光,就不再适用了呢?到底是牛顿错了,还是麦克斯韦错了?

爱因斯坦对光的理解,勾勒出了对引力的物理图景。

如果你开着一辆光速行驶的车子,远离后方的钟塔。由于后方的光已经追不上你,在你看来钟塔上的钟已停止转动,而如果你看自己的手表,会发现手表依然在运转。

当爱因斯坦想到这一点时,绝对时间观轰然倒塌。不同的速度下,时间的流逝是不一样的。一个跨时代的光速图景在爱因斯坦的大脑里展开了。

1905年,爱因斯坦通过对这个物理图景的思考,打破了牛顿的绝对时间与绝对空间观,提出了时间与空间的相对性。这对理解物体的运动,迈进了一大步。

在爱因斯坦的相对时空观里,光速不变就成了一个合理的解释。虽然当时MM实验已经验证了光速不变,但对于爱因斯坦来说,麦克斯韦的理论给他的启发远远胜于MM实验。

空间可变,就意味着空间可扭曲。而所有物体的运动都依附于空间,也就代表着描述物体运动的力与空间具有深层次的联系。当爱因斯坦将麦克斯韦的“场”概念引入力学中后,引力场替代了万有引力的超距作用。

空间的形变使万物有了运动的趋势,而这种运动的趋势就是引力场。所以说,引力场就是空间扭曲的结果。

总结

引力是空间的扭曲的结果,是人类目前知晓的最接近引力本质的一种诠释。

通过了解人类对运动的认知发展,我们可以看到科学是如何一步一步地去触及自然现象的本质。而看似不相关的光学现象,却让人们更加深刻地理解了引力的本质。而在孜孜不倦地探索中,人们也发现不同的自然现象之间似乎总是存在着某种隐秘的联系。

而这种联系正是爱因斯坦一生所追求的宇宙秩序,这种物理直觉,也正是现代物理学追求大统一终极理论的初衷。

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