如果牛頓被旋轉的蘋果砸中,愛因斯坦承認他會有更好的引力理論

2020-12-25 萬象經驗

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在牛頓的傳記中有這樣一個廣為人知的故事:牛頓被蘋果砸中腦袋後就發現了萬有引力定律。那麼如果這顆蘋果是旋轉的,會有怎樣更精彩的故事呢?愛因斯坦承認,牛頓將會發現更先進的引力理論。那麼物質的旋轉與引力場有什麼樣的相互作用?

讓我們以自由落體為例來闡述並回答這個問題。在真空室中考慮兩個自由下落的球體,其中一個球體繞其球心高速旋轉,另一個則沒有旋轉;高速旋轉的球體在自由下中與地球引力場的相互作用可能會產生三種不同的物理效應。

第一種是轉動物體在引力場的運動過程中可能會受到一個力矩的作用,因而使得其自旋方向發生變化(進動)。廣義相對論預言了這種效應:一個自轉方向指向遠方天體的在地球極軌道運行的陀螺,其自轉方向相對於遠方天體方向將發生兩種互相垂直的進動(一個是測地效應,另一個是坐標系拖拽效應)。為了檢驗這類效應,美國科學家經歷了40年的技術研究工作而於2004年4月20日將一顆衛星成功發射升空,並證實了該結論。

第二種可能的效應是轉動物體的自轉速率會在運動過程中發生變化,例如地球在繞太陽作軌道運動的過程中,地球自轉的速率可能會因太陽引力場的作用而發生周期性的變化。如何利用理論計算這種可能的效應是一個不容易但需要進行研究的問題。

還有一種可能的效應是,由於轉動物體的自旋與引力場的耦合而產生微小的作用於質心上的附加作用力,這使得一個轉動物體的自由落體與一個無轉動物體的自由下落會有所不同。如果借用通常的等效原理這個詞,這就是說,物體的轉動與引力場的相互作用破壞了等效原理。

廣義相對論在處理物質轉動的現象方面有不足。因為有轉動的物質像有自旋的粒子一樣,其能量-動量張量不再是對稱的,而且描寫轉動物體的物理量除了能量-動量張量外還應當有自旋張量。但是在廣義相對論中,作為引力場源只是能-動張量的對稱部分,而反對稱部分以及自旋張量對引力場的產生沒有貢獻。

解決這個問題的一種理論是除了度規場之外還要引入撓率場,這類理論最早出現的就是愛因斯坦-卡丹理論,但是其中的撓率場不是動力學場。後來發展起來的引力規範理論,撓成了動力學場。在這類理論中,引力場有兩個:標架場和撓率場。描寫轉動物質的物理量也有兩個:能-動張量和自旋張量。標架場的源是能-動張量;而撓率場的源是自旋張量。

雖然理論上的這種效應是明顯的,但是,要想利用引力規範理論做具體的計算,就必須對流體的能-動張量密度進行積分,積分的區域應當遍及實驗設計中所用陀螺的球體或柱體。但是這真的很難!

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  • 對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?
    《對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題,就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別,就要從測量的角度去講述。
  • 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?
    因此牛頓的萬有引力為愛因斯坦的高層梯子奠定了基礎,沒有這個基礎,愛因斯坦的上層梯級就成了空中樓閣,虛無縹緲。傳說牛頓發現萬有引力是樹上的蘋果砸到頭上砸出來的,這當然是閒扯,但現在愛因斯坦發現了梯子的上面幾級,就能夠爬到樹上把蘋果摘下來,解剖蘋果發現了更深層次的秘密。
  • 牛頓如果沒有被蘋果砸中腦袋,他能否發現萬有引力?能,一定能
    牛頓這位科學大牛相信大家都不會陌生,畢竟大家都是讀過小學的人!牛頓這位大牛到底有多牛呢?只要是關於科學類的榜單,牛頓必然會出現在榜單的前五!並且沒有人會不服!蘋果原本只是普通的蘋果,但在「牛頓的故事」裡,蘋果卻是「上帝」丟下來的蘋果!小學課本裡一直在說,牛頓在蘋果樹下乘涼,結果一顆蘋果砸中了他的頭!我們被砸腦袋,大概就是摸著腦袋上的疙瘩心裡喊著:WC,疼疼疼……!
  • 有研究質疑暗物質理論和愛因斯坦的相對論
    根據那些對公認的物理學持懷疑態度的人的說法,物理學家需要使用新的運動和引力理論來解釋宇宙,而不是接受一種叫做暗物質的擬議物質的存在。這些新理論的通用名稱是MOND,是牛頓動力學修改的簡稱。圖註:引力使星系旋轉。天文學家可以研究距銀河系中心不同距離的恆星速度,以尋找暗物質或其他新物理學的證據。
  • 愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    牛頓不是第一個注意到蘋果從樹上落下來的人,他偉大的洞察力表現在,他以數學的形式展示了使蘋果落向地面的力一定與使月球按照軌道運轉的力是同一種。牛頓引力概念的核心——現在被稱為萬有引力定律——即宇宙中每個物體與其他所有物體間都存在吸引力。而且這力量的強弱與它的質量成正比,也就是說,一個物體質量越大,它的引力就越強。
  • 牛頓的蘋果,究竟是真是假?
    但是,近年來卻有很多文章把這個故事歸入了虛假故事裡。隨便在網上搜索可以找到很多這樣的文章。例如,在一篇題為《那些誤導我們的教科書故事——牛頓根本沒被蘋果砸》的文章中,在提到這個故事時是這樣說的:「關於牛頓和他的蘋果是伏爾泰編的,據說他是聽牛頓的侄女說的,當然牛頓的所有手稿中沒提到那隻蘋果。」
  • 萬有引力猜想:星球的引力是怎麼產生的
    宇宙的產生用達爾文的進化論、適者生存理論解釋更為合理,就是有引力的星球生存下來,沒有引力的星球和天體被有引力的星球吃掉最後才形成今天的宇宙。那星球的引力是如何產生的呢?一、漩渦產生引力就以地球為例,宇宙大爆炸發生以後,地球內核本身帶有巨大能量,同時圍繞太陽自動旋轉。
  • 德國是愛因斯坦,英國是牛頓,那中國呢?
    所謂的引力波就是時空彎曲所散發出的漣漪,也是一種以波為引力輻射的能量,當時提出廣義相對論時,科學界根本不重視,還是普朗克加以推動,這才引起了人們研究和談論,2016年,人們正式探測到了引力波,也證明了愛因斯坦的相對論,這一結果讓整個科學家都轟動了。 第二:牛頓
  • 艾薩克·牛頓錯了嗎?科學家的一個異常「空間發現」提出了質疑理論
    他的著作《自然哲學的數學原理》於1687年首次出版,提出了運動的三大定律和萬有引力定律。他的工作為阿爾伯特·愛因斯坦的相對論鋪平了道路,他提出,由於宇宙中的引力曲線,行星離太陽越遠,它轉得越慢。 因為如果沒有暗物質,宇宙就不會是現在的樣子,就不會有足夠的引力讓恆星和星系以我們觀察到的速度旋轉。
  • 「需要比愛因斯坦更好的理論」布萊恩·考克斯提出廣義相對論挑戰
    相對論的一般理論由阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)於一個多世紀前發布,以完善艾薩克·牛頓的萬有引力定律。該模型提供了對重力的統一描述,將其描述為時空或時空的幾何屬性,目前仍被科學家用作現代物理學中對重力的描述。
  • 也是英國的一場疫情,讓牛頓提出了萬有引力,統一了宇宙運動規律
    這是英國著名的物理學家艾薩克·牛頓在1687年提出的力學理論。這種引力存在於宇宙中大小角落,大到月球、地球、太陽、星系、黑洞……小到分子、原子、原子核……也就是說,只要有質量的物體都有引力。然而這個定律的提出卻醞釀了20年之久,牛頓是從1665年至1687年結合了伽利略、克卜勒、雷恩、哈雷、胡克等前輩科學家的力學理論上總結出來的成果。疫情中的蘋果1665年秋天,英國首都倫敦爆發了一場鼠疫,人人自危,無不想馬上離開那個「瘟城」。
  • 如果光線能被引力所扭曲,那是否意味著光也有質量?
    根據愛因斯坦的廣義相對論學說,光線和其他事物一樣,都在同樣的方式下被引力影響著。那是因為基於這條理論上,我們不能再將引力歸於力學一類的矢量中去,而是要將它作為宇宙在「塑形」過程中的一個結果。圖解:空間概念圖從牛頓的觀點出發,引力是任何有質量的物體對其他有質量物體產生的一種線性方向的力。他的研究分析表明,其力的強度與兩個相互吸引物體的質量乘積成正比,與兩者之間距離的平方成反比。
  • 廣義相對論比牛頓萬有引力理論更正確嗎?萬有引力理論是錯的嗎?
    關於愛因斯坦的相對論和牛頓的萬有引力理論哪個更正確,目前來看顯然是相對論更為正確。我經常看到大家都堅持說愛因斯坦的廣義相對論並沒有推翻牛頓的萬有引力理論,牛頓的萬有引力理論依然是正確的。但我個人認為其實牛頓的萬有引力理論和愛因斯坦的廣義相對論只能有一個是正確的,因為它們的根基不一樣,不可能同時正確。牛頓的萬有引力是以平坦的絕對空間作為背景的,而愛因斯坦的廣義相對論是以彎曲的時空作為背景的。
  • 日食成就了愛因斯坦的科學巨星地位
    而廣義相對論也取代了牛頓的引力理論,成為了解釋空間最有力的物理理論。 正值這個歷史性的日子100年之際,讓我們一起去了解這段歷史吧。 凝視太陽 1687年,艾薩克·牛頓發表了他的巨著《自然哲學的數學原理》,提出了萬有引力定律:宇宙中相隔一定距離的任意兩個有質量的物體間有引力的作用。根據牛頓的理論,空間只是一個固定的背景,引力造成了物體的運動。
  • 引力之解 *
    事件的起因 阿牛被蘋果砸到了頭髮。經過 最心愛的頭髮被砸了,阿牛很生氣,開始尋找兇手——誰扔的蘋果?結果 一段讓人類迷茫了300多年的公案——吸星大法,橫空出世。以上就是整個事件的全部。關於牛頓被蘋果砸到這個故事,其實是真實的,我用人格擔保。
  • 麥克斯韋是電磁學的集大成者,為什麼不如牛頓和愛因斯坦知名度高
    牛頓牛頓最重要的物理學理論就是他的萬有引力定律與牛頓三大定律。牛頓的出現基本奠定了此後三個世紀的物理學的科學觀點,除此之外,牛頓還有動量守恆,角動量守恆、顏色理論、反射望遠鏡、冷卻定律等等諸多科學理論。不僅僅如此,牛頓在數學上有深有造詣,主要是他自創了早期的微積分理論,二項式定理等。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    牛頓萬有引力定律雖然揭示了這個世界普遍存在的一種力,而且也得出了這種力的規律,但是他沒能解釋出這種力的根源是什麼,為什麼會有這種力存在。因此停留在知其然不知其所以然的層次。別看這只是往前延伸一步層次,但得出的結論卻可以完全改變人類對世界的認知。
  • 為什麼引力速度必須等於光速?
    並且在牛頓的引力方程中,引力只跟兩個作用物體的質量、引力常數、以及它兩之間距離的平方有關係,這樣的引力必須是無限的速度。這就說明牛頓認為瞬時作用力是正確的!但是這樣的假設也會存在一些問題,如果引力的作用是瞬時的,那麼在宇宙中所用存在物質的引力就會瞬間互相疊加,變得無限大,整個宇宙也會不可避免的崩塌,宇宙膨脹也拯救不了宇宙,因為膨脹的速度是有限的,而牛頓的引力是無限的。
  • 愛因斯坦被證實的十大預言
    ,這就好像牛頓被蘋果砸中一樣,不同質量的物體在真空中的下落速度是一樣的。雖然弱引力透鏡讓還原遙遠星系變得有些困難,但它對於研究宇宙中的暗物質和暗能量有很大的幫助。科學家可以通過研究弱引力透鏡中的星系畸變去更好地了解宇宙中我們看不見的東西。四微引力透鏡。
  • 太陽引力那麼大,地球會不會有一天一頭撞向太陽?
    那麼,為什麼太空中會有這麼多的流浪星球,我們的地球會不會也有一天,會變成一顆流流星球,而一撞向我們的母星太陽呢?太陽在太陽系中擁有著絕對的權力,佔據了太陽系質量的99.86%,太陽無疑是太陽系的引力最強大的天體,地球距離太陽近1.5億公裡的距離,為什麼太陽巨大的引力,沒有將地球拉扯到太陽的內部,反而以一種極為恐怖的平衡狀態,圍繞著太陽旋轉?