萬有引力的本質到底是什麼?

2020-12-22 星辰大海路上的種花家

對引力的認識是從重物墜地開始的,一個人從高處掉下摔死,即使古人不知道萬有引力,他們也不會感到奇怪,因為這是日常世界的一個性質!因此古希臘偉大的哲學家亞里斯多德總結了兩種運動:一種是天然運動,另一種是被迫運動。輕的東西有「輕性」,如氣和火,天然向上走,重的東西有「重性」,天然向下走。被迫運動依賴外力,一旦消失,運動停止!

從亞里斯多德的結論中可以推導出一個概念,即輕的東西下落慢,重的東西下落快!儘管將近1500年的時間裡也有人懷疑這個觀點,但卻一直到伽利略才真正提出質疑,比如紙團下落慢,鐵球下落快,那麼將它們綁在一起,不就是一個折中的速度嗎?儘管伽利略提出了這個尖銳的觀點,但卻因為現實條件原因未能付諸實施。

傳說中的比薩斜塔試驗

儘管伽利略未能徹底解決這個問題,但與伽利略同時代的克卜勒卻為這個問題打開了一道通向光明的大門。克卜勒的老師第谷是一個偉大的天文觀測家,為什麼稱他觀測家呢?因為他並不相信哥白尼創立的日心說,但他十分尊重他的觀測記錄,在他去世後,克卜勒依靠第谷的觀測記錄,完成了相當偉大的發現。

第谷·布拉赫

克卜勒通過對第谷觀測火星的記錄發現,火星圍繞太陽(克卜勒支持日心說)的軌道並不是一個正圓,他嘗試了很多中方式來描述火星的軌道都失敗後,偶然間使用了橢圓並且準確套用到了火星的軌道上,其實也是克卜勒運氣好,當時發現的幾顆行星中,火星軌道的偏心率是最高的:

水星: 0.2056 金星: 0.0068

地球: 0.0167 火星: 0.0934

木星: 0.0483 土星: 0.0560

當然水星是最高的,但水星實在難以觀測,因此這火星就成了第谷記錄數據最多的行星,開普從火星為突破口,發現行星運行軌道的規律,總結出了行星運動三大定律,當然到現在為止,還與萬有引力沒有任何關係,但這成了牛頓突破萬有引力定律重要支點!

一直有一個牛頓和蘋果的故事,但大家都認為這是杜撰的,但事實上這蘋果下落的原因和天上行星的運動確實有著不可分割的關係,哥白尼的日心說和克卜勒的行星三大定律,為牛頓開創輝煌的萬有引力時代打下了堅實的基礎,牛頓認為他站在了巨人的肩膀上,這個形容沒有錯,他非常敬畏大自然,但卻不屑於同僚探討。

牛頓

1687年牛頓發表了《自然科學的哲學原理》,對萬有引力和三大運動定律進行了描述,將克卜勒的行星三大定律和萬有引力論做了統一的論證,當然這只是剛剛開始而已,因為在此以後牛頓力學將會成為17世紀後300年內的科學發展的指導,其中最閃亮的一點就是發現海王星。

赫歇爾兄妹觀測星空

自1781年赫歇爾發現天王星以來,天文學家發現觀測到的天王星軌道和計算的不一致,因此一直就懷疑天王星軌道外側還存在一顆行星,因為它的攝動才導致天文星軌道計算與實際觀測的差異。1846年柏林天文臺根據當時名不見經傳的法國數學教師勒維耶的計算數據,不到1小時就觀測到了天王星,距離勒維耶的計算位置不超過1°。

勒維耶

自1687年牛頓萬有引力和三大運動定律發表以來,經過數代科學家的完善以及新理論的開創,經典力學時代在十九世紀末達到了鼎盛。拉普拉斯稱如果知道每一顆粒子的狀態,他將可以預測未來!甚至開爾文勳爵這樣形容完美的物理學:「未來的物理學只能在小數點後七位顯示存在」!

開爾文勳爵:威廉·湯姆遜

但一朵巨大的烏雲正籠罩在物理學上空,首先發難的就是水星進動問題:1859 年,法國天文學家勒維耶根據水星150年的觀測資料,發現了水星軌道的長軸存在一定的擺動現象,在排除了所有行星攝動影響後,仍然存在一個難以解釋的誤差,勒維耶認為水星軌道內測存在一顆行星,它應該距離太陽非常近!但經過多年觀測這顆行星並不存在!

另一個則是看起來和引力沒啥關係的麥可遜·莫雷實驗零結果,本來是驗證以太的實驗,結果卻證明了以太似乎並不存在,但其實這和引力關係相當大,因為牛頓發現了萬有引力後順手就盜取了以太的概念,將其作為引力的傳遞者,結果1887年的莫雷實驗零結果,證明了以太不存在,儘管結果仍待驗證,但這個結果實在太過震撼,以至於動到了物理學的根基!

洛侖茲急著推出了洛侖茲變換來解釋以太漂移實驗的零結果,他的洛倫茲變換成功的解釋了零結果,但他卻死守以太概念以至於錯過了一個偉大的發現,而龐加萊則以光速同步本地時來解釋同時性的相對性概念,同樣也走到了偉大發現的邊緣!但歷史沒有如果,註定要讓愛因斯坦來摘取這果實,因為勝利終是屬於具有果斷以及開創性的那一類人!

愛因斯坦剛好具有這兩個特質,狹義相對論在1905年發表了,直接拋棄了以太的概念,推出了光速不變以及相對性原理兩個前提,總結出了狹義相對論,但別開心得太早,因為這中間仍然有一個非常重要的概念沒有解決,引力到底是依靠什麼傳遞的?

這還得等待十年,從狹義相對論發表以後,愛因斯坦就開始了如何將狹義(勻速直線運動)推廣到任何運動下都適用的理論,而這十年中有部分時間是愛因斯坦在補黎曼幾何的課,因為未來將要誕生的廣義相對論描述的是光怪陸離的宇宙時空,1915年愛因斯坦完成了廣義相對論,但他到了1916年才發表,這是一個顛覆牛頓力學的理論,以至於科學界對待廣義相對論猶如天書,但這並不影響廣義相對論猶如野草一般生長,首先下手的就是一直懸而未決的水星進動問題。

廣相描述的宇宙時空

廣相認為大質量天體會扭曲周圍的時空,而水星的軌道偏心率高達0.2056,是八大行星中偏心率最高的,因而水星在經過遠日點和近日點時時空彎曲度差異很大,因此用萬有引力平直時空計算的軌道誤差值,減去攝動後仍然有一個無法解釋的進動角度。這當然也歸功與將近150年水星軌道的觀測數據,但也要感謝勒維耶精確計算以及不忽略誤差的精神。第一個開刀的水星進動被完美解決,廣相威力開始顯現!

誇張的水星進動軌道

此後1919年愛丁頓對日食的觀測驗證了引力彎曲光線的理論,其實從質能方程也能推算出引力能彎曲光子,因為光子具有能量,但值卻只有廣相計算的一半,而太陽引力彎曲光線的角度比較偏向廣相的計算值,這其實也是愛因斯坦運氣比較好,因為1919年的日食時太陽擋住的是畢宿星團的亮星,方便愛丁頓的觀測驗證。

1922年蘇聯數學家利用廣相引力場公式,假設宇宙物質分布是均勻的,計算出了宇宙的形狀,而他發現宇宙在絕大部分情況下都是膨脹的,勒梅特在1928年取得了相同的結果,1929年哈勃觀測到遙遠的星系正在加速原理,驗證了弗裡德曼和勒梅特的計算結果。這表明宇宙在很早期時曾經處在一個很小的範圍內,後來它將發展成宇宙大爆炸說。

伽莫夫在二戰後為完善大爆炸理論,提出了太初合成理論,他的同事則根據大爆炸推測出宇宙中存在大爆炸餘暉的輻射,也就是預言了宇宙微波背景輻射的存在,這後來在1964年被驗證,太初合成理論中的原初物質豐度也在後期的射電觀測中被一一證實!

其實關於引力的本質到這裡就可以結束了,因為廣相已經完美的解釋了引力就是質量彎曲時空,而後期的多項預測與後期的觀測也完美貼合,當然2015年底觀測到引力波是錦上添花。但這遠未結束,因為廣相和量子力學在黑洞奇點上出現了嚴重的衝突,也難以在大一統理論上更進一步,因此弦理論試圖在引力的本質上做出解釋。

弦理論認為組成世界的有兩種弦,開弦和閉弦,開弦的橫向振動產生光子,質量則通過弦通過振動會具有「振動能量」產生,根據質能方程,能量將和質量等價!而引力則通過在「開弦」之間,通過交換「閉弦」傳遞引力,也可以在「閉弦」之間,通過交換「閉弦」傳遞引力。但楊振寧對弦理論似乎有些不太感冒,因為楊振寧認為實驗+理論的物理才美,而建立在純理論上的弦理論猶如沒有根基的大廈,一點都不美!

剛剛廣相搞明白了引力是質量彎曲時空,又被弦理論搞糊塗了,引力到底是什麼,也許我們未來還有很長的路要走!

相關焦點

  • 萬有引力的來源和本質到底是什麼?
    物理學家從未停止過對於引力本質的研究。眾所周知,關於引力的第一套理論是牛頓提出來的平方反比理論。在牛頓的引力理論中引力的公式跟靜電場的庫倫力公式是非常相似的。因此,在牛頓的引力理論中,我們可以類比電磁場,將牛頓引力公式中的m(也就是質量)當作是引力的「荷」,就像我們把庫侖力公式中的Q當作電荷一樣。這也就是牛頓對引力來源的解釋,同時該公式也給出了「引力質量」的定義。
  • 一口氣搞懂「萬有引力的本質」
    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。
  • 引力的本質是什麼?牛頓和愛因斯坦誰的理論更準確?
    關於引力到底是什麼,自古以來就有許多學者討論。即使是時至今日,依舊有很多人科學家在研究這方面的內容,比如:超引力理論。所以,或許在未來還有可能會出更具普適性的引力理論,不過,現在看來,關於引力的理論,最為主流的科學理論還是廣義相對論。
  • 解讀牛頓|萬有引力定律為啥是科學的?牛頓到底偉大在哪裡?
    牛頓出生於1643年,他建立了一套在人類可感知的範圍中能夠解釋世界上許多的物理現象的萬有引力理論。萬有引力定律為啥是科學的?牛頓到底偉大在哪裡?自古以來,人類在面對世界上紛繁複雜的現象時,總會設想和找到隱藏在眾多現象背後那個統一的本質,人類的努力在十七世紀終於得到回報。不過對於一般人而言,如果你希望解釋蘋果為何從樹上掉下來,或者想精準計算你的炮彈能否準確擲中敵人的位置,牛頓的萬有引力理論已經足夠用了;或者對於需要學習中學程度的科學而言,牛頓物理學已經夠你頭痛了。
  • 對於萬有引力定律公式,我有個奇怪的觀點!
    現在小學生都知道牛頓的萬有引力定律,萬有引力公式是什麼?
  • 三大基本力都被統一,只剩下引力沒有,它的本質是什麼?
    然而現在就被引力給難住了,它到底是什麼?牛頓被蘋果砸到腦袋後,就開始思考蘋果為什麼只垂直往下掉,而不是別的方向。他越研究越興奮,因為他發現了這種情況存在於整個自然界中,後來又把目光對準星空,發現了天體之間的聯繫,就這樣牛頓提出了萬有引力。每個物體之間都有引力,力的大小和物體的質量成正比。注意,牛頓是提出了萬有引力,不是發明,他也不知道引力的本質到底是什麼。
  • 萬有引力是什麼?牛頓學生時的幻想,漏洞百出真的自難其說嗎
    引力是什麼,引力是指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢,其來源於物體自身質量對於時空的彎曲,而不是源於重力場間的相互拉扯。 因此,引力並不是我們常常理解的那種作用力,而是由時空彎曲形成。主要跟宇宙壓力,宇宙速度,空間維度,磁場強度,物體結構有關。多麼複雜的概念啊!
  • 耗時23年 翻譯《萬有引力之虹》到底有多難?
    2020年4月,醞釀打磨十餘年的精裝全譯修訂本《萬有引力之虹》重磅歸來,掀起熱議。它的歸來,並不是換個包裝「新瓶裝舊酒」,而是編者、譯者、修訂者以及無數讀者拼命努力「用愛發電」才得到的美好果實。現代快報+/ZAKER南京記者 鄭文靜1973出版後引起極大爭議,導致普利茲小說獎空缺一年《萬有引力之虹》到底寫了什麼?這個問題實在太難回答了。
  • 耗時23年,翻譯《萬有引力之虹》到底有多難?
    1973年出版後曾引起極大爭議,普利茲小說獎因此空缺 《萬有引力之虹》到底寫了什麼?這個問題,實在是太難回答了。《萬有引力之虹》作者託馬斯·品欽,有人說諾貝爾文學獎應該是他的,諾貝爾物理學獎也應該是他的。他曾在康奈爾大學攻讀工程物理學,在美國海軍服役兩年後,又轉入康奈爾大學,獲得英語語言文學學位。1974年,他因《萬有引力之虹》被授予美國全國圖書獎,但拒絕領獎。成名後,他消失了,雖然仍健在,但四十多年來從未有一張他的照片流傳於世。
  • 3分鐘,帶你了解下什麼是萬有引力?看完恍然大悟
    如何思考重力--喬恩·伯格曼萬有引力是什麼?我想大多數人都會說:「向上移動的東西一定會掉下來,這就是萬有引力!」 這種想法並沒錯,但你知道嗎?真正的萬有引力並不完全如此!從學術角度來講,萬有引力是一個公式:。其中G是萬有引力常數,M1、M2分別是相互吸引的兩個物體的質量,R是他們之間的距離。這個公式並沒有看起來得那麼簡單!
  • 牛頓萬有引力定律與愛因斯坦時空彎曲理論有什麼聯繫和區別?
    說白了,就是愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論比萬有引力定律站得更高,指導意義更深遠。但牛頓的萬有引力這個基礎打得很牢很穩,至今依然閃爍著灼灼光芒。萬有引力是迄今人類發現最基本的四種力中的一種力,也是最早發現的一種力。
  • 如何利用萬有引力定律發現星體?相對論如何彌補萬有引力的不足?
    萬有引力定律的發現是牛頓一生中最偉大的貢獻之一,而關於牛頓發現萬有引力的故事有很多不同的版本,不過這無關緊要,重要的是萬有引力定律是正確的。怎麼知道萬有引力定律是正確的呢?牛頓在發現萬有引力定律之後已經通過地月檢驗的方式來進行了驗證。什麼是地月檢驗?
  • 牛頓,在什麼條件下發現了萬有引力定律
    牛頓在故鄉過著與世隔絕的瘟疫雖然奪去了成千上萬人的體命,卻給這位天才的科學家以充足的時間去思考探索和計算,他的三項主要成就微積分萬有引力和光學都是在此期間打下基礎的,這是牛頓一生中科學發明的全盛時期,媽媽看到久別重逢的兒子
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    真有意思,引力如此之大,又如此之弱,究竟是什麼力量?其實質何在?最早對引力做出精確定義的人是牛頓,他的萬有引力定律第一次使人類如此接近引力的真理。Newton認為任何物體都有互相吸引的力,而這種力是一種超距作用,即引力是瞬間發生的,不需要時間進行傳導。
  • 萬有引力公式的推導(一):比耐方程
    Law Of Universal Gravitation我知道你知道萬有引力公式,但我也知道你不知道萬有引力公式是怎麼來的,那就讓我帶你領略一下數學物理之美吧。在1687年時,英國最著名的物理學家和數學家ISAAC NEWTON在他的《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)上首次發表了萬有引力的數學表達式,即對任意兩個質點通過質心方向上的力相互吸引,該引力的的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關
  • 暗能量到底是什麼?在哪裡?有什麼用?
    那暗能量到底是什麼?在哪裡?有什麼用?今天,我們就來聊一聊這個話題。宇宙學常數Λ的前世話說,在1666年,當時正值倫敦爆發瘟疫,牛頓躲到了自己的鄉下老家,專心研究學術,這一年也被稱為牛頓奇蹟年。在這一年,牛頓發明了微積分,他當時管這個叫做流數;同時完成了光學研究的實驗解析部分,給後來萬有引力定律的工作奠定了基礎。到了1687年,牛頓正式發表了著作《自然哲學的數學原理》。在這本書中,牛頓詳細闡述了萬有引力定律,他認為萬物之間都存在著彼此吸引力的力,一種超距作用。通過萬有引力定律,牛頓統一了天上和地上的物理學規律。
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  • 《萬有引力之虹》再度修訂出版,翻譯這本著作到底有多難
    1974 年,他因《萬有引力之虹》被授予美國全國圖書獎,但拒絕領獎。成名後,他消失了,雖然仍健在,但四十多年來從未有一張他的照片流傳於世。也有人說到百度裡你搜到的品欽照片都不是真的。這樣一位神秘的人,他的作品是什麼樣的呢?這本書到底寫了什麼?太難回答了,許多讀者讀了幾頁就要緩一緩直言看不下去,是不是可以和尤利西斯和追憶似水年華或者芬尼根守靈夜一較高下了呢?
  • 萬有引力常數G的前世今生
    對於萬有引力常數G,讀者們可能既熟悉又陌生,也許只是在物理課本的字裡行間打過一次照面,這個字母「G」有著怎樣的物理含義?對其進行高精度的測量又有什麼樣的意義?下面我們就來談談這個歷史上最為悠久的基本物理常數——萬有引力常數G的前世今生。