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宇宙探索|从万有引力到相对论再到量子力学,探索宇宙的奥妙

2020-05-28  zhangzz

引力是如何把宇宙联系在一起的,一代又一代的科学家们,又是如何不断提出和完善引力理论,探索宇宙奥秘的呢?

宇宙探索|从万有引力到相对论再到量子力学,探索宇宙的奥妙

当牛顿坐在他的花园里时,一个苹果落地了,于是牛顿看到了过去任何人都没有看到的东西,一个苹果吸引了世界,同时地球吸引了这个苹果,这是通过自然的相互作用力做到的。这种力让一切事物得以存在,从行星到恒星,一切都生存在统一的怀抱里。

一、牛顿及其提出的引力定律是如何一步步被推上神坛的?

有人在给牛顿写人物传记的时候,问他是怎么产生万有引力的想法的。牛顿回答:当时他坐在花园里,在笔记本上写着东西,突然一个苹果从树上落了下来,他不禁想到为什么苹果总是会垂直落到地上呢?于是引力的理念就进入了他的脑海。

这个故事听起来颇具传奇意味,真假难辨,但不得不说牛顿的引力定律对科学界贡献极大,以至于有人在乔布斯去世后表示,有三个改变了世界的苹果,它们是亚当的苹果,牛顿的苹果和乔布斯的苹果。

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牛顿是个遗腹子,他的父亲在他出生前的三个月就去世了,母亲改嫁后,牛顿跟着外祖父母长大,性格十分孤僻,整天沉浸在自己的想象当中,他会搭建风车和桥梁的模型,会在石头上刻下日轨,记录太阳的运动,从小就能力非凡,在舅舅的帮助下,18岁的牛顿得到了在剑桥大学学习的机会,他系统学习了数学和科学,吸收了古希腊人的哲学思想。

1665年一场瘟疫撕裂了伦敦,牛顿便跑的乡下,度过了离群索居的18个月。在此期间,他发现了光学与颜色的定律,微积分与二项式定理的科学以及万有引力定律,彻底改变了科学的面貌。

在牛顿之前,曾有很多人对星球进行过探索,虽说人们以为地球是宇宙的中心,直到哥白尼提出了“日心说”,为了说明地球围绕太阳转的原理,卡洛斯等人提出了辞力的概念,再后来开普勒提出了三大定律,说明行星的运行轨道是一个椭圆,行星离太阳越远,它的运行速度就越慢,这一点恰恰也说明行星离太阳越远,它身上的引力也就越弱。正是在苦苦思索开普勒定律的基础上,牛顿发现了引力,那么引力的数学定律究竟是什么呢?

想要回答这个问题,就必须要提到一个人,他叫伽利略,伽利略有一个著名的实验,观察球从斜面上管下来的速度,最后得出的结论是物体在不受外力作用的情况下,将以匀速运动。牛顿认同了这一说法,并在此基础上提出,除非有外力作用使这个东西发生变化,否则任何物体都将保持静止的状态,或是匀速直线运动。

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回答完这个问题,牛顿又开始发问:究竟是什么样的力在扭曲行星的运行,改变它原本的直线轨道,让它以椭圆的轨道运行呢?至此向心力的概念便应运而生了。比如说你在绳子的一端捆上一块石头,用手拉着绳子让石头在你的头顶旋转飞行。常识告诉我们,尺度越重,你就越需要更大的力量去拉住绳子。于是牛顿认为引力就是一条看不见的绳子,他拉住了行星,让他们没办法飞离轨道。

不管牛顿关于苹果的故事是真是假,他的关键处在于,牛顿意识到了把苹果拉上地球的力与迫使月亮围绕地球旋转的力是一种东西,物质与物质之间存在着一种力,力的作用是相互的。当你走在路上有一个人和你擦肩而过,你们两个人之间就存在着引力,只不过这些力太弱了,让人注意不到。但当物体的质量像地球那么大时,这种利益就表现出来了。因此我们才会被牢牢的吸在地球上,而不会掉进太空。

牛顿发现引力后,22年都没有把这一发现公布于世,直到牛顿的一个朋友哈雷,在多次征求他的意见后发表了原理一文,从此引力定律横空出世,给世界带来了极大的震撼。后来哈雷本人还运用原理中的思想,发现了哈雷彗星。

牛顿的引力理论除了能解释苹果的下落和行星的运动,还能解释什么呢?

下面要说的就是大洋上的海潮,我们都知道潮起潮落是一种很常见的自然现象,那它是怎么产生的呢?

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牛顿提出潮汐是由月球的引力造成的,因为引力的存在,大洋表层的水被用力拉开,向着月球的方向隆起,这种隆起有两处,分别在海洋离月球最近和最远的地方,地球在自转,因此每隔24个小时,这两处隆起的地点就会在海洋中循环一次。

在站在海边的人眼中看来,没过24小时,海水就会上涨和下落各两次,潮汐不仅与月球有关,跟太阳也密切相关,只不过相比较月球,太阳的引力较小。此外潮汐还可能引起地球自转速度的减慢。据观察,在很多年以前,地球的自转速度比现在要快,证据来自珊瑚,珊瑚身上有规律的圆环圈,就像树的年轮一样,生活在3亿5000万年前的珊瑚化石告诉我们,当时的一年有385天,一天不超过23个小时。由此可知地球自转速度在减慢。

此外,牛顿的引力定律还能揭示我们看不到的现象。牛顿认为除了太阳和月球,还有其他一些大型天体在拖拽地球。就像母亲在匆匆过马路的时候,身边的孩子们在拉着他的衣角一样,经过观察,科学家们发现有另外7颗行星在拖拽地球,这7颗行星就是水星、金星,木星、土星、天王星和海王星本来还有一颗冥王星,但在2006年冥王星遭到了耻辱的降级,变成了矮行星。

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在当时人们对牛顿的引力定律十分幸福,牛顿也应之走上了科学的神坛。但事实上有人在观察水星运动的时候,发现了一个无法解释的现象,其他行星运行的轨迹是椭圆,只有水星的轨迹是一个玫瑰花环,很多年间这成了一个未解之谜,谁也不会想到这个谜真正要告诉我们的事情,就是牛顿有关引力的观点是错误的,是爱因斯坦意识到了这一点,并发明了一个更好的引力理论来代替牛顿的理论,这就是爱因斯坦提出的空间与时间的本质,也就是相对论。

二、爱因斯坦是如何推翻牛顿的引力定律的?他又提出了哪些新观点?

首先爱因斯坦提出了时间的膨胀,这属于狭义相对论的范畴,该说法后来被证明是可以测量的,怎么测量呢?

1971年有两台超精准的原子钟在同步之后分开了,其中一台被人们放飞。随着一架航班周游世界,另一台则留在家里不动。当两台原子中重新聚首的时候,研究人员发现周游世界的原子中所记录的时间要少于留在家里的原则中记录的时间,这完全符合爱因斯坦的预言。

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运动中的时钟在放慢,也就说明了时间在膨胀。比方说有一对双胞胎兄弟哥哥去太空旅行了,弟弟留在了地球上,当旅行的哥哥回来之后,会发现自己比留在地球上的弟弟更年轻,为什么?因为时间在膨胀,运动中的哥哥的时间走得更慢,伽利略曾说,对于一切人来说,只要他们互相以匀速运动,运动的定律都是相同的。比如说当一个人在你眼前走过,你觉得他在远离你,但在他的眼中,你也在远离他,双方的情况是完全对称的。因为你们在做相对运动,爱因斯坦推广的伽利略的相对论,他认为一个人的时间和空间与另一个人的时间和空间是不一样的。

比如说某人在11点的时候,在一列从左向右行驶的火车车厢的中心划掉了一根火柴,与车厢最右端的人相比,车厢最左端的人将会稍早看见火柴点着,因为在光向他飞过去的时候,火车会向前行驶,缩短了光需要飞过的路程。因此车厢左侧的人和右侧的人的时空是不一样的。我们习惯于认为空间有三个维度,东西、南北、上下,而时间只有一个维度,过去和将来,但实际上空间与时间的维度相互混合,创造了时空的四个维度。

作为三维世界的居民,我们无法把握四维时空的全部含义,但爱因斯坦却提出时间并没有流动,所有时间全都同时存在,人们可以把宇宙中发生的事件想象成一幅在地面上展开的图画,每个人的时空都不一样,所有的时空全部存在,这也使得我们所说的平行时空以及电视剧中经常出现的穿越情节成为可能。比如你现在在喝水,但在另一个时空里有另一个你在睡觉或做别的事情,这观念想想就觉得神奇。

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下面我们说说关于引力的问题,牛顿的引力定律认为:引力传播的速度是无限的。但爱因斯坦的广义相对论却认为:任何东西包括引力,都不能超过有光速设置的宇宙速度极限。两人最大的分歧在于地球围绕太阳转,当太阳消失的那一刻,地球的反应是什么样的?尽管这在我们看来是一个几乎不可能发生的假设,根据牛顿的观点,一旦太阳消失了,引力也就随之消失了。地球会立刻感觉到,然后立刻沿着轨道的切线飞出奔向宇宙。

爱因斯坦则认为,太阳消失后,在光从太阳传播到地球的这段时间内,地球依然会高高兴兴地沿着自己的轨道运动,8分钟后光到达了地球上,地球才会注意到太阳已经不在了,然后飞向宇宙。最终爱因斯坦指出,引力是一个幻觉,真实存在的只有扭曲的时空。

一天,爱因斯坦在工作的时候突然听到了一声尖叫,他看到从对面5层楼的楼顶上,有一个修理工不小心摔了下来,修理工下落的速度越来越快,直到撞上了一个旗杆,旗杆弯了,修理工受到冲击力,飞上空中,被工友救了回来。电光火石间,爱因斯坦突然想明白苦恼很久的问题,一个下落的人是感觉不到自己的重要的。

牛顿的理论表明,摆脱引力的拖曳是不可能的,引力只可能随着距离的加大而减弱,但永远不会完全消失。爱因斯坦却推翻了这一说法,他认为其实很容易让引力对你无可奈何,你只需要自由落体就可以了。自由落体你就感觉不到自己的重量,引力也就随之消失了。于是爱因斯坦提出,在引力的作用下,一切事物都以同样的速度下落。

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伽利略早在17世纪就第一个指出了这一点,他做了个著名的实验,在倾斜的比萨斜塔两端,同时扔一个重球和一个轻球,结果亲眼看到两个球同时落地,这一结论在月球上也得到了证实。

1972年阿波罗15号的指挥长斯科特,在月球上重复了伽利略的实验,那里没有空气,他让一柄锤子和一根羽毛在同样的高度上下落,证明这两个物体也是同时触碰地面的。因此自从伽利略以来,人们接近物体改变状态的抗力和它所受的引力是两个不同的东西,物体重引力就大,物体轻引力就小,因此两个球还是能同时落地。但爱因斯坦却天才的认识到,自从伽利略以来,每个人都错了,下落的人是感觉不到重量的,在引力作用下,一切物体同样的速率加速,这更简单的证实了为什么轻球和重球、羽毛和锤子是同时落地的,因为不管他们轻重如何,下落的速度是一模一样的。

此外,爱因斯坦还认为引力是可以弯曲光的,之前人们普遍认为光沿着两点之间最短的路线进行,这个路线通常是直线,爱因斯坦却提出了反对意见,就像一个人在两座山峰之间徒步穿行,虽然他找到了最短的路径,但在天上飞的驾驶员看来,他走的这条路实际上弯弯曲曲是一条曲线。

因此,爱因斯坦认为最短的路径也可能是一条曲线,从而进一步认识到我们生活在一个扭曲的时空中,这个扭曲的时空就是引力,爱因斯坦突破了牛顿的引力定律,牛顿认为地球是在做匀速直线运动的,来自太阳的引力使地球发生了偏移,才不得不按照椭圆的轨道围着太阳旋转。爱因斯坦则提出,他也扭曲了他周围的时空,地球想沿着最短的路径运动,正常情况下应该是直线,但这个直线被时空扭曲了,变成了椭圆。还记得之前我们前面说的关于水星运动轨迹那个不解之谜吗?

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牛顿定律没能解释的事情,爱因斯坦的广义相对论解释了,在爱因斯坦的理论中,因为水星是离太阳最近的一个星球,承受着太阳系中最大的时空扭曲,因此它的运行轨道不再是一个椭圆,而是像玫瑰花环一样的轨迹。相比水星其他行星离太阳较远,承受的时空扭曲较远,仍然以椭圆轨道运动,这个说法最终被其他科学家证实了。当时的爱因斯坦躺在病床上,听到消息后说了一句话:我就知道我是对的。

不得不说爱因斯坦是一位天才,但天才也同样会犯错误,他将错过一些他自己理论中最重要的预言,那就是黑洞和宇宙大爆炸。

三、爱因斯坦之后的科学家们又进行了哪些有关的探索?

1916年,爱因斯坦收到了一件包裹,包裹来自施瓦兹希尔德,施瓦兹希尔德证明如果有足够多的质量被塞入一个足够小的体积之内,时空将会受到强烈的扭曲,变成一个无底洞,这就是黑洞。

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关于黑洞的中心,爱因斯坦无法解释,他只是说如果黑洞真实存在的话,将实实在在是个灾难。后来史蒂芬霍金提出,由于黑洞的密度非常大,因此它的万有引力也非常大,以至于它可以吸进所有物体,哪怕是光也不能逃离它,如果你能够到达黑洞的中心,你将会发现“奇点”,在“奇点”中,许许多多的物质被压缩到一个非常狭小的空间内,因此这个空间的万有引力变得无限大,起点的密度也就无限大,大到可以粉碎一切物体。但对于黑洞的存在,爱因斯坦是否定的

爱因斯坦很伟大,他创造了宇宙学,研究宇宙的起源,净化和最终的命运。但他和牛顿一样走偏了一点,他相信无论过去现在和将来,宇宙都会永远遵循同样的规律,宇宙没有开始没有终结,它将一直这样运行下去。但爱因斯坦之后的科学家们则发现,宇宙是一个膨胀的宇宙,并提出了宇宙大爆炸的理论。

什么是宇宙大爆炸呢?我们知道太阳属于一个庞大的恒星集合叫银河系,但哈勃在星空中还有无数隐隐约约的涡状星云。哈勃发现了宇宙的基本建筑单元——星系,我们的银河系拥有1000亿颗恒星,但银河系只不过是大约2万亿星系中的一个而已。同时哈勃还发现差不多所有星星都在原料迎合性运动,这说明宇宙正在膨胀。后来加莫夫提出宇宙诞生于一个火球中,火球的爆炸形成了目前所有的信息。霍金则提出掉入黑洞的粒子带有负能量,不断向外辐射,也就是霍金辐射。这些离子使黑洞越来越小,直至消失,这个过程很漫长,但当黑洞消失的最后时刻,黑洞会发生爆炸,是一切荡然无存。

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霍金的研究表明,在某种程度上,宇宙中的所有物质都被压缩在一个起点上,通过大爆炸释放出来,最终形成了银河系、星系、行星、你、我等一系列事物,这就是宇宙的起源。

就这样,爱因斯坦之后的科学家们,提出了科学史上最伟大的发现之一,宇宙并非永恒长存的,他有自己的诞生之日,也终将迎来终结的一天。该理论冲击了爱因斯坦的广义相对论,再后来量子理论瓦解了爱因斯坦提出的时间和空间,斜理论推翻了宇宙的组成因素,斜理论表明:宇宙的组成因素不是点状的例子,而是极小的一维能量。

此外,虫洞的概念也被不断提出和完善。爱因斯坦曾在空间理论中证明,广义相对论允许空间中存在捷径,也就是我们今天所说的虫洞,苹果核心的虫洞可以让虫子取捷径,而不必绕到苹果表面来爬行。同样时间冲动也可以让时间旅行者取捷径,穿越宇宙。进入虫洞的一个口之后,或许只需要爬几米长的距离,就会从虫洞的另一个口出来。

总而言之,前人的说法在不断被如今的人类证实或推翻着,我们今后还有很长的路要走。

总结

起初人们认为牛顿的理论是最正确的,直到爱因斯坦推翻了这个理论,后来人们又把爱因斯坦的理论奉奉为正确的,但这些理论也在不断被推翻,将来的人们仍将不断探索真知,不断走进那个尚未发现的国度。

宇宙探索|从万有引力到相对论再到量子力学,探索宇宙的奥妙

从古希腊人的年代起,几乎每一代人都曾问过宇宙来自何方,什么是空间与时间?麦克斯韦在1863年统一了电和磁,导致了狭义相对论和量子理论的产生,也预言了无线电波的存在,这才有了现在的世界。全球被无线电波连通,数据移动影像,数以10亿计的无形交谈,在我们周围的时空中不断穿梭进行,这些现象搁在以往的世界里,只会让人觉得是天方夜谭。就像一个从古代穿越过来的人,看到现代化的一切,只会感觉不可思议,但时代在不断进步,科技在不断发展,人们尚无法预料,在这个尚待发现的国度中,我们将会找到些什么呢?

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