一口氣搞懂「萬有引力的本質」

2020-12-15 騰訊網

引力的格格不入

上世紀,科學發現宇宙中存在著四種作用,分別是強力、弱力、電磁力和引力。這四大作用力有點類似於膠水,把物質粒子結合到了一起。強力和弱力確保了原子核的結構,電磁力是確保了原子結構的存在,而引力則是物質之間相互吸引的力。

而在這四大作用力當中,人類最早能夠系統的認知的是引力。不過,引力也是最讓科學家們頭疼的一個力。這是因為上世紀50~70年代,科學家在狹義相對論和量子力學的基礎上,基於對麥克斯韋方程的認識,建立起了一套粒子物理學標準模型。

這套模型把四大作用力中的電磁力和弱力統一了起來,也就是溫伯格等人的電弱理論,同時強力也被納入到了這個體系當中,但偏偏引力一直無法納入到這個體系。科學家也試圖將其強行納入到這個體系當中,結果理論和實際相去甚遠,因此,並沒有被廣泛接受。

關於引力的認知,目前主流的理論是牛頓力學和廣義相對論。而關於引力本質的詮釋則是廣義相對論。今天,我們就來聊一聊:引力的本質

萬有引力

其實早在牛頓之前,人們就發現了萬物都會往地面上落的現象。為此,古希臘的哲學家亞里斯多德就提出了一套邏輯自洽的理論,但是這只是在哲學層面上的一些探討,並沒有非常嚴格的推導。後來,到了牛頓的時代,牛頓解決了這個問題,他發現萬物往地上落和地球繞著太陽轉其實是一回事,這是因為物質之間都有彼此吸引的力。

於是,基於這個發現,牛頓推導出了著名的萬有引力定律。這個理論和當時的觀測現象擬合的很好,幾乎沒有什麼誤差,甚至有學者直接利用這個理論,依靠筆和紙預測了海王星的存在,然後天文學家一觀測預言的位置,果然有一顆行星在那裡。

但是,如果你要問牛頓,引力的本質是什麼?他其實是不太能夠說服你的。

牛頓認為引力是一種超距力,說白了就是瞬間傳遞的一種作用。我來舉個例子幫你理解一下,如果太陽突然消失,那地球就會立馬沿著軌道的切線方向飛出去。

但為什麼是超距力,牛頓也是回答不上來的。

萬有引力的本質

雖然牛頓不能給我們一個很好的解決方案,不過,後來物理學界出現了一位堪比牛頓的大神,也就是愛因斯坦,在1905年,他基於光速不變原理和相對性原理提出了狹義相對論。

10年後,也就是1915,他又提出了廣義相對論。無論是狹義相對論還是廣義相對論,本質上就是在研究運動物體對於時空的變化,前者是在平直的時空當中,或者說是在慣性參考系(沒有變速運動的情況下);而後者則是在彎曲的時空當中,或者說是在非慣性參考系(有變速運動的情況下)。

而愛因斯坦通過等效原理,就把廣義相對論和引力聯繫了起來。他發現,引力的本質其實就是時空的彎曲

地球可以繞著太陽運動,說白了就是太陽的質量使得周圍的時空彎曲了,地球只是沿著彎曲的「面」,也就做測地線在運動。

這聽起來很抽象,畢竟時空使我們看不到的。那我們如何知道愛因斯坦說的對不對呢?

實際上可以利用觀測來解決這個問題。

萬有引力定律 vs 廣義相對論

當時,愛因斯坦剛提出廣義相對論時,其實能看得懂的人就不多,更不要說能夠論證這個理論對不對的人了。愛因斯坦就一直在極力主張通過觀測來判定自己的理論是不是對的。他曾經資助過一個天文學家來求證,結果這個天文學家因為一戰的原因,被當做間諜給關了起來。後來,英國的天文學家愛丁頓就親率團隊進行求證。

這可以說是一場萬有引力定律和廣義相對論直接面對面的角鬥,是科學家之間的戰爭,比拼的是誰的理論和現實更吻合。結果愛丁頓在這次日全食觀測中,觀測到光線偏折的角度更接近於廣義相對論,從而宣告了愛因斯坦的勝利,從此愛因斯坦一舉成名,成為了理論物理學史上可以和牛頓並立的科學家。

而廣義相對論後來也經歷了多次觀測的求證,最終成為了主流的科學理論,並且廣義相對論的預言的引力波和黑洞也被科學家觀測到了。

所以,如今對於引力的本質的解釋就是廣義相對論的詮釋,也就是時空的彎曲

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