为什么太阳会拉住地球?广义相对论说,引力原来是一种错觉

来源:软软de面包店    2019/9/22 5:58:20
责任编辑:张小俊
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引力是什么?

6000年已被的“创生之柱”星云

在宇宙四大基本力中,唯有引力每分每秒都在支配我们的主观体验。引力使我们紧贴在地面,引力将抛向空中的篮球、棒球拉扯下来,还会给我们的肌肉提供一些可以对抗的障碍。在宇宙层面,引力也是如此。压紧氢原子云,星尘坍缩引发聚变从而产生恒星;或者把星系“粘”在一起,引力是少数几个能主导宇宙演化的参与者之一。

从某种意义来说,引力的故事也构成了物理的发展史。一些科学界巨擘(没错说的就是牛顿爵士)通过发现并定义这种主导我们生存的力而声名鹊起。但直到400年后的今天,引力依然是物理学科最深奥的部分。

引力,是一种宇宙普遍存在的力

力,指的是两个物体之间产生的吸引或排斥的相互作用。

今天,科学家们已经知道宇宙中存在四种力。其中强相互作用力和弱相互作用力的作用范围随距离增加衰减极快,可以认为只存在于原子内部。电磁力则掌控着那些带有电荷的物体,例如电子、质子,或者在地毯上摩擦过的袜子。而引力则主宰所有有质量的物体。

直到最近的几个世纪里,人们才开始注意前三种作用力,但他们却很早就开始研究重力。重力在古人眼中,是一种作用于万物,把雨滴和炮弹吸引下来的力。古希腊与古印度的哲学家观察到物体总是会回到地面,即使有远离地面的趋势,最终仍会落向地面。直到艾萨克·牛顿对重力获得了一丝洞察,人们对重力的理解才从“难以理解的万物运动趋势”上升到“一种可测量和预测的自然现象”。

人类对万有引力理解的飞越,则始于牛顿在1687年发表的著作——《自然哲学的数学原理》。牛顿意识到宇宙中的一切物体,从脚下的一粒沙子到宇宙最大的恒星,都会对其他物体产生吸引的作用。他对“重力”的理解升华为“万有引力”。一些现象表面上似乎是毫无关联的,苹果落地砸到头上(这个故事很可能是虚构的)与行星绕太阳公转,背后却都为万有引力所掌控。牛顿不仅组织了清晰的概念,还为概念添加精确的量化:对于两个物体间产生的引力,如果将其中一个物体的质量翻倍,则引力也会翻倍;如果将二者间的距离缩小至原来一半,则引力会增至原来的四倍。牛顿将这些想法打包后,正式宣布发现了“万有引力定律”。

引力,其实是空间的几何结构

19世纪中期,在没有任何人观察到海王星存在时,天文学家就能依据万有引力定律对行星轨道的判断,认定还存在这么一颗没被发现的天体。牛顿对引力的准确描述,能预测到海王星的存在,但牛顿定律仍不完美。在19世纪后期,天文学家注意到水星近日点的进动比牛顿定律预测的要快,表明牛顿定律与自然真理还存在一点偏差。这个困惑直到阿尔伯特·爱因斯坦在1915年发表了“广义相对论”才得到解决。

在爱因斯坦发表其开创性的理论之前,物理学家已经知道如何计算一颗行星的引力,他们对于万有引力的理解也远超过古代先贤。他们认为所有的物体像牛顿所假设的那样进行超距作用,可以瞬间将引力作用传递给任意距离的一切物体。爱因斯坦那个时代的其他科学家接受并满足于这种理解。不过爱因斯坦在研究狭义相对论时,就已深刻认识到没有任何物体可以瞬间传播,万有引力也不例外。

另一方面,几个世纪以来,物理学家往往把空间视作一个空洞的背景,所有物体的相互作用都在这个舞台上表演,但空间本身是绝对的、静止的,其本身并不具有任何物理意义。直到广义相对论拓展了空间和时间的概念,把空间从一个静态背景,转变为类似于空气一样的物质,成为万物相互作用的氛围,氛围是可以变化的。爱因斯坦认为,空间和时间共同构成了宇宙的结构,二者不可分割,称为“时空”。这种叫“时空”的物质可以拉伸、压缩、扭曲和转动,自身的变化也会对其包含的所有物体产生影响。

爱因斯坦认为,我们体验到的引力,是时空的“形状”造成的。质量(或能量)聚集在一起(如太阳或地球),会使其周围的时空发生弯曲。如同鹅卵石会使溪水绕道一样,水里的叶子在石头附近经过时发生涡旋。当其他物体移动到大质量物体附近时,它们会随那里的时空曲率而发生轨迹的改变,表现为好像受到了引力一样。因此我们看到苹果掉落到地上、行星围绕恒星公转等现象,都是因为苹果和行星正处在扭曲的时空里,沿着扭曲的时空行进而已。尽管对引力的理解不同,但这些扭曲的轨迹与牛顿定律预测的轨迹仍是匹配的。

不过物理学从来不受花言巧语的蛊惑,不管理论有多漂亮,能符合事实并预测现象的理论才能在物理界站得住脚。爱因斯坦的广义相对论场方程,通过一组公式解释了物质是如何扭曲时空的。当他用这些公式预测水星轨道的变化,并与1919年日食期间由亚瑟·爱丁顿等人观察到太阳周围的星光弯曲,并与爱因斯坦的预测值相符,广义相对论才开始得到世人的认可。

引力,也可以成为探索的工具

引力的现代描述已可以非常精确地预测质量间的相互作用,它已成为探索宇宙新现象的指南。

美国天文学家维拉·罗宾和肯特·福特在1960年代注意到星系的旋转速度似乎太快了,引力提供不了足够的向心力,星星本应该甩出去的,就像狗狗甩掉了身上的水。但实际这些星系却好好地在天上运转着,哪里出了问题?两位天文学家猜想一定有某种东西将星星团聚起来。其实早在1930年代,瑞士天文学家弗里茨·兹维基就提出一种观点:“有一些看不见的质量,在加速星系的聚拢”。

如今,大多数科学家将其称之为“暗物质”,意指一种不与常规物体发生相互作用,难以被观测到,而又拥有质量的物质。他们怀疑神秘的暗物质的质量扭曲了时空,以至于星系和星系团被束缚其中而不会散架。

此外,也有人怀疑引力在星系的尺度下是否会比我们预测的要弱,如果怀疑成立,则意味着牛顿和爱因斯坦方程在巨大的宏观尺度下可能需要调整。

即使要调整广义相对论,也得非常精细地去微调。因为研究者近几年已开始探测到广义相对论最微妙的预测——引力波,或者称为“时空的涟漪”,由质量体在时空中加速而产生,就像水黾在水面上突然加速引起的细微的波纹。自2016年起,美国和欧洲的研究人员已合作完成了3个探测器项目,测量了多个穿过地球的引力波。更多的探测器正在路上,研究者将可以借助引力波研究遥远的黑洞和中子星。不是看它们发出的光线,而是通过探测它们的碰撞引发的时空结构的变化来进行研究,这将开启一个新的天文时代。

对引力的理解还远没到终点

一百年前的1900年,热力学之父——开尔文勋爵(威廉·汤姆森)在英国皇家研究院做了一次著名的演讲,题为《覆盖热量和光线的动力学理论的十九世纪的乌云》。当时他提出了这么一个结论:“物理学大厦已经建成,以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但他又同时指出:“物理学的大厦上空还漂浮着两朵乌云……”这两朵乌云分别是迈克尔逊-莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。

开尔文勋爵的那段话多少反映了人类已掌握的物理规律已非常完善,自己为人类的进步而感到自豪,但也表现出一点自满。这两个悬而未决的问题可不仅仅是乌云,它们简直是动摇了整个物理学根基的两股台风。两个问题,前者促进了推导洛伦兹变换与发现狭义相对论,后者则孕育了量子理论。

物理理论不像买鞋,不存在削足适履的将就,表面上一点点的不相容,背后可能隐藏着一个全新的世界。如今广义相对论的一系列的实验成功,掩盖了许多物理学家所思考的致命失败。这么说是因为广义相对论描述了一个经典时空,但宇宙终归是量子的,宇宙是由粒子(如夸克和电子)组成的。

空间(和引力)是一个平滑连续的经典概念, 它在描述宇宙上很成功,但并非全部事实,这一经典概念终究会与量子世界中离散的基本组成相冲突。统治了粒子物理的标准模型,已经涵盖所有已知粒子和三种基本力(电磁力、强力、弱力),但如何将其扩展以覆盖粒子水平的空间和引力,即如何统一广义相对论与量子理论,终究是现代物理最深奥的秘密。

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相关攻略及问答:

广义相对论如何解释什么是重力

答:广义相对论如何解释什么是重力 从相对论开始。我们高中时经常写下的式子,如果其中的力用引力代替:;我们会下意识地约掉两个,而正是这一点使得我们可以把一种「力」归结为空间的性质,而与具体的物体无关:因为方程中不出现质量。 现在,引力...

根据广义相对论所描述的引力,那么最后地球是不是...

答:因为时空受太阳质量的影响发生弯曲,而地球又绕着这个弯曲的轨道运动,所以,最后地球会因为撞上太阳。

广义相对论主要是说什么

答:告诉你相对论主要讲什么吧爱因斯坦的相对论分为两种,一般相对论与狭义相对论,他主要阐述的是空间与时间的关系,它的推论证明就是光速不变原理与时间效应的关系和一般相对论的成立。笼统的来讲,相对论是站在事物与事物之间的相互角度思考,来...

广义相对论说万有引力是时空弯曲导致的,是不是这样

答:是的。举一个例子,人为什么能站在地球上而不掉下去,有吸力?人根本感觉不到吸力。相对论解释,如果人一直站在一个加速的电梯上,人就不会掉下去了。也就是说如果地球是加速在膨胀,一直膨胀,在上面的东西才不会掉下去。但是地球大小并没有变...

广义相对论的结果说明引力大的地方时间是怎么样的

答:根据爱因斯坦的广义相对论可以知道,引力场大的地方,时间相对流逝速度较慢的。

为什么说广义相对论是没有引力的引力定理

答:因为在广义相对论中引力不是一种力而是一种弯曲时空,如果粒子除了引力外不受力则视为自由粒子,其轨迹为切矢量沿线的协变导数为0的测地线,也就是通常所说的直线。 区别在于无引力的情况下黎曼曲率张量为0,则一个坐标系内的协变导数就是其普通...

爱因斯坦广义相对论公式

问:变量要写清楚

答:广义论公式 根据广义相对论中“宇宙中一切物质的运动都可以用曲率来描述,引力场实际上就是一个弯曲的时空”的思想,爱因斯坦给出了著名的引力场方程(Einstein's field equation): R_ - \fracg_ R = - 8 \pi {G \over c} T_ 其中 G 为牛顿万有...

广义相对论

答:广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌。 为了理解广义相对论,我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。 质量的两种不同表述: 首先,让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。“它是重量”?事实上...

时间简史里面的一个疑问,根据广义相对论,不是应...

问:时间简史里面的一个疑问,根据广义相对论,不是应该太阳表面的引力更大...

答:没有疑问啊,你可以大约算下地球表面的引力场强度和水塔底部和顶部的引力场强度,比较差值,再算太阳表面引力场强度的差值,比较二者数量级,引力场强的地方时间相对流失速度是较慢的。这点没疑问,另外书中的意思是相对的意思。不知道你能否理...

广义相对论是什么意思?

答:广义相对论的基本概念解释:在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前,我们必须假定一件事情:狭义相对论是正确的。这也就是说,广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌。质量的两种不同表述:...

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