引力是什麼?引力真的存在嗎?

2020-12-20 鍾銘聊科學

引力存在嗎?

我們從小就聽過牛頓被蘋果樹上掉下的蘋果砸,然後腦袋好像開了光一樣,一下就想明白了萬有引定律了。這個故事或多或少是有演繹的成分,真實性堪憂,最早也僅僅載於沒見過牛頓的伏爾泰的書中,他也是打聽來的。

而如今萬有引定律幾乎是所有受到過教育的人都知道的一個物理學理論。但是如果我們仔細思考一下,萬有引力真的存在嗎?

相信大多數人都會堅信引力是存在的,並且可以提出一些相關的證據,就比如蘋果會掉地上。但有趣的是,愛因斯坦曾經提出過著名的廣義相對論,他認為引力並不存在,實際上那是時空的彎曲。

那問題就來了,同樣都是物理學的大神,如果要給物理學家排個序,這兩位絕對是佔據前二的。大神的觀點不同,那到底應該聽誰的?

實際上,我們可以說兩個人都對了,或者說兩個人都錯了。兩個人的理論都是在解釋「蘋果掉地上」這個現象,在解釋的過程中,就會用到「萬有引力」,「時空彎曲」這樣的詞彙,這其實是兩位科學家取的名字。因此,現象是永遠存在的,但是會因為不同的理論,而有不同的命名方式。那問題來了,關於「蘋果掉落到地面上」的現象,不同的人又有哪些不同的解釋呢?

今天,我們就來挨個說說。

萬有引力定律

最早的引力理論並非是來自於牛頓,而是亞里斯多德。其實在2000多年前的古希臘,古希臘的先哲們就開始探討這個問題了。最終,亞里斯多德提出,萬物是由水、火、土、氣、以太構成的。其中,月球之上的宇宙是由以太構成的,月球一下的則是有水、火、土、氣構成,水和土比較重,因此有往地面運動的傾向,火和氣比較輕,因此都是往上飄的。

亞里斯多德這套理論和地心說巧妙結合在了一起,在整個西方文化圈統治了上千年。直到牛頓的出現,這個局面才被打破。牛頓在研究這個現象時,其實已經知道了許多基本知識,比如向心力和圓周運動的而關係,甚至還有了微積分的基本思想。基於這些,牛頓提出了萬有引力定律,他認為物體之間有彼此吸引的力,這個「力」被稱為萬有引力。萬有引力與物體的質量成正比,與物體間距離的平方成反比。

而牛頓的這一套其實是建構在一個基礎之上的,這個基礎就是絕對時空觀。那什麼是絕對時空觀呢?

牛頓認為,時間和空間是剛性的,對於任何人來說都是相同的,一秒就是一秒,一米就是一米,和物體的運動狀態無關。因此,他還認為萬有引力是一種超距作用,說白了就是瞬間完成傳遞的一種作用力。

但如果你要問牛頓,那萬有引力是如何產生的?客觀地說,牛頓也說不出一個令人滿意的答案。

廣義相對論

雖然牛頓沒有給出一個令人滿意的答案。但是到了上世紀,愛因斯坦先是在1905年提出了狹義相對論,在狹義相對論中,他統一了時間和空間,他認為這兩者是密不可分的,應該合起來看,並稱為時空。而我們所生活的就是四維時空,是一維的時間和三維的空間。

隨後,愛因斯坦試圖對相對論進行推廣。到了1915年,愛因斯坦推導出了廣義相對論。狹義相對論的討論其實是在慣性參考系下的,也就是平直的時空,而廣義相對論這是推廣到了任意的參考下,也就是說,可以是彎曲的時空。

愛因斯坦通過等效原理,推導得到了,引力和加速度所產生的慣性力是等效的,這也被稱為弱等效原理,其實還有一個強等效原理,由於篇幅關係,就不贅述了。

因此,愛因斯坦就得到引力的本質其實是時空的彎曲。如果我們從二維的視角來看,月球繞著地球轉,牛頓的解釋是兩者之間的引力作用。而在廣義相對論當中這是因為地球壓彎了周圍的時空,而月球在沿著時空的測地線在運動,這裡的測地線類似於二維平面中的直線。

總結

根據近100年來的觀測和實驗,我們知道,廣義相對論要遠比牛頓的萬有引力定律更具有普適性。因此,目前關於引力現象的主流理論是廣義相對論,也就是說,引力現象是由時空彎曲造成的。但由於在宏觀低速,引力場較弱的情況下,牛頓的理論是廣義相對論的近似解。因此,我們如今還在使用。除了萬有引力定律,廣義相對論,其實還有引力子理論,只不這個理論的誤差很大,並非是主流的科學理論。

相關焦點

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  • 時空彎曲與引力的關係
    可有人說慣性的本質是時空彎曲,這樣說對嗎?內容如下,摘自百度百科:「研究者提出由廣義相對論解釋慣性的可能成因:靜者恆靜乃是因為靜止質量會扭曲時空產生凹陷,猶如一個鐵球放在彈簧床的正中央產生了凹陷,此凹陷限制了鐵球的運動並固定其位置,此可解釋為何引力質量恰與慣性質量完全相等,是故靜者恆靜。
  • 宇宙萬物都有引力,那麼引力的本質是什麼?又是如何產生的?
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  • 引力既然很厲害,為什麼天天在引力作用中的人沒被撕碎?
    所以要說清這個問題,我們就要了解一下引力的基本特徵。宇宙中目前發現了四種基本力。現在科學認為,宇宙中存在四種基本力,即強力、弱力、電磁力、引力。我們所有能夠看到或者不能看到的一切物質和現象,都是在這四種基本力控制下運動變化著的。
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    我們的引力和磁力理論使我們能夠描述系統的基本物理學,大概是從宇宙的大小到規模比原子核小近一百萬倍的事件。後一種現象由量子電動力學解釋,量子電動力學通常能使預測精確到小數點後10位。對於引力,我們可以準確地描述到黑洞表面的宇宙及其演化過程。 從實際的角度來看,我們幾乎完美地理解了這兩種力,並以我們目前的最佳測量能力來解釋。
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  • 引力的本質是什麼?
    引力,四大基本力之一,也是唯一一個和其它三種基本力無法統一的力。引力場方程引力的完整研究最早始於牛頓。據說牛頓式因為坐在蘋果樹下思考,被一個蘋果砸到頭,於是乎靈光一閃,想到了萬有引力這個概念。在牛頓的時代,大家並不知道引力是如何來的,只知道引力的公式如下:F=GM1*M2/R^2
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  • 引力到底是什麼,可能它並不是力
    是什麼造成天王星的運行軌道「異常」呢?於是天文學家大膽猜想在天王星的外側一定還有一顆行星「拖曳」著天王星使其軌道異常。1844年,天文學家勒維烈利用牛頓力學通過天王星運行的偏差反推出另一顆新行星的位置。在德國天台加勒的幫助下,他們在1846年9月23日在預定的天區發現了太陽系第八顆行星——海王星。這無疑是牛頓萬有引力定律最輝煌的時刻。
  • 引力是如何產生的?
    牛頓經典引力理論據傳,因為一個蘋果掉下來砸到牛頓的腦袋,牛頓因此悟出了萬有引力定律。世間一切物質都存在相互吸引的作用力,這就是萬有引力。萬有引力的大小,除了與兩個物體的質量有關,還與兩個物體之間的距離有關。這是經典力學中關於引力的描述。
  • 引力不是向下嗎,為什麼火焰是上升的
    曾經蘋果落地的一件小事還在牛頓腦子裡引起了不停地思考,為什麼蘋果不向左右掉落,非要往下掉落,於是他認為地球上一定有一種神秘的力存在,它會拉著太陽系中的行星圍繞太陽旋轉。這到底是怎樣的一種力呢?慢慢的牛頓提出了引力的假說,正是因為這種力的存在,才發生這些東西向下掉落的事情,但是現在仍然有人提出疑問,既然引力是向下的,為什麼火焰卻是向上升的,難道是其中隱藏的不是引力嗎?
  • 引力極其強大,但又極其弱小,其本質究竟是什麼?
    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。
  • 引力到底是什麼?是時空的彎曲還是引力子?
    四大作用才是宇宙的規則首先,「萬物的秩序規則」並不是只有引力說了算。畢竟,在宇宙中存在四種作用力:強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用,引力。其中強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用的存在,保證了物質的存在,說白了,它們就是粘合劑,把基本粒子粘合起來,這才構成了物質。為此,科學家構建了粒子物理標準模型。其中費米子就是基本粒子,而玻色子則是傳遞這三種作用的粒子。