引力,萬有引力,時空彎曲看浩瀚宇宙

2020-12-06 任哥論道

有個網友提出了這麼個問題「是不是地球自轉太快了,就產生引力了?有何依據?」這個小夥伴提出的問題有點幼稚的太可愛了哦。旋轉只能產生旋轉力,這與引力是毫無關係的。

那麼什麼是引力呢?任意兩個物體或兩個粒子間的與其質量乘積相關的吸引力,自然界中最普遍的力,簡稱引力。

為了弄清楚這個問題,我們就得先介紹一下胡克這個了不起的人物。

一、胡克為萬有引力定律的提出作出了了不起的貢獻

羅伯特·胡克,英國科學家,又譯羅伯特·虎克(Robert Hooke,1635年7月18日-1703年3月3日),英國博物學家,發明家。1635年7月18日生於英國懷特島的弗雷斯沃特村,1703年3月3日卒於倫敦。在物理學研究方面,他提出了描述材料彈性的基本定律-胡克定律,在機械製造方面,他設計製造了真空泵,顯微鏡和望遠鏡,並將自己用顯微鏡觀察所得寫成《顯微術》一書,細胞一詞即由他命名。在新技術發明方面,他發明的很多設備至今仍然在使用。除去科學技術,胡克還在城市設計和建築方面有著重要的貢獻。但由於與牛頓的爭論導致他去世後少為人知。胡克也因其興趣廣泛,貢獻重要而被某些科學史家稱為「倫敦的萊奧納多(達文西)」

胡克在力學方面的貢獻尤為卓著。他建立了彈性體變形與力成正比的定律,即胡克定律。他還同惠更斯各自獨立發現了螺旋彈簧的振動周期的等時性等。他曾協助玻意耳發現了玻意耳定律。他曾為研究克卜勒學說作出了重大成績。在研究引力可以提供約束行星沿閉合軌道運動的向心力問題上,1662年和1666年間,胡克做了大量實驗工作。他支持吉爾伯特的觀點,認為引力和磁力相類似。1664年胡克曾指出彗星靠近太陽時軌道是彎曲的。他還為尋求支持物體保持沿圓周軌道的力的關係而作了大量實驗。1674年他根據修正的慣性原理,從行星受力平衡觀點出發,提出了行星運動的理論,在1679年給牛頓的信中正式提出了引力與距離平方成反比的觀點,但由於缺乏數學手段,還沒有得出定量的表示。

二、牛頓是怎麼發現的萬有引力

剛才我們說,胡克缺乏數學手段,就請來了哈雷,哈雷請牛頓來解決這個問題。因為當時英國大科學家牛頓和德國數學家萊布尼茨分別在自己的國度裡獨自研究和完成了微積分的創立工作,雖然這只是十分初步的工作。克卜勒只有請求牛頓來解決行星運動的軌道算式問題。牛頓一聽就明白了,說,行星的軌道是橢圓型的,說等算好了回信給胡克。就這樣,萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規律,而且還指出木星土星的衛星圍繞行星也有同樣的運動規律。他認為月球除了受到地球的引力外,還受到太陽的引力,從而解釋了月球運動中早已發現的二均差,出差等;另外,他還解釋了彗星的運動軌道和地球上的潮汐現象。根據萬有引力定律成功地預言並發現了海王星

萬有引力定律出現後,才正式把研究天體的運動建立在力學理論的基礎上,從而創立了天體力學。 簡單的說,質量越大的東西產生的引力越大,這個力與兩個物體的質量均成正比,與兩個物體間的距離平方成反比。地球的質量產生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。

三、阿爾伯特·愛因斯坦創立狹義相對論廣義相對論

9世紀末由於牛頓力學和(蘇格蘭數學家)麥克斯韋(1831~1879年)電磁理論趨於完善,一些物理學家認為「物理學的發展實際上已經結束」,但當人們運用伽利略變換解釋光的傳播等問題時,發現一系列尖銳矛盾,對經典時空觀產生疑問。愛因斯坦對這些問題,提出物理學中新的時空觀,建立了可與光速相比擬的高速運動物體的規律,創立相對論。 狹義相對論提出兩條基本原理。(1)光速不變原理:即在任何慣性系中,真空光速c都相同,為299,792,458m/s,與光源及觀察者的運動狀況無關。(2)狹義相對性原理:是指物理學的基本定律乃至自然規律,對所有慣性參考系來說都相同。

愛因斯坦的第二種相對性理論(1916年)。該理論認為引力是由空間——時間彎曲的幾何效應(也就是,不僅考慮空間中的點之間,而是考慮在空間和時間中的點之間距離的幾何)的畸變引起的,因而引力場影響時間和距離的測量。

3.1光速不變原理

即在任何慣性系中,真空光速c都相同,為299,792,458m/s,與光源及觀察者的運動狀況無關。

試想一輛快速行駛的汽車企圖超過一列火車。如果我們猛踩油門,汽車和火車並駕齊驅地奔馳,我們能窺視火車裡面,火車對我們來說似乎是靜止的,我們能看到火車裡面的座位和做著各種動作的人,好像火車根本不在運動一樣。類似的,如果一個孩子想像和光一起旅行,那麼光看起來應該沒有運動。

乍看起來,這似乎是荒唐的。這意味著我們永遠不能超過火車(c)。也就是說,無論我們把汽車開多快,火車似乎總是以同樣的速度跑在我們前面。換句話說,一束光就像水手們喜歡杜撰的「鬼船」一樣,是永遠無法趕上的空幻船隻。不管我們把船開得多塊,鬼船總是躲開我們,嘲弄我們。

為了弄清這個簡單的的陳述怎能導致如此深刻的結論,讓我們重新回到汽車企圖超過火車的類比中。我們假設人行道上的行人記錄了汽車和火車的行駛速度,汽車每小時行駛99公裡,火車每小時行駛100公裡。自然,從我們的觀點出發,我們看到火車以每小時比汽車快1公裡的速度在我們前面行駛。這是因為速度能像簡單的數一樣進行加減。

現在,讓我們用光束來代替火車,但光的速度僅保持在每小時100公裡。行人仍然能看到我們以每小時99公裡的速度緊追以每小時100公裡的速度傳播的光束。根據行人的觀點,我們應該迫近光束。然而,根據狹義相對論的觀點,汽車中的我們實際看到光束並不是像預想的那樣以每小時領先我們1公裡的速度行進,而是以每小時100公裡的速度行進。顯然,我們看到光束迅速地領先於我們,好像我們處在靜止中一樣。我們不在相信自己的眼睛,使勁地踩油門,直到行人記錄我們的汽車以每小時99.99999999…公裡的速度疾馳。毫無疑問,我們猜想自己一定會超過光束。然而,當我們透過車窗看時,光束依然以每小時100公裡的速度在我們面前疾馳。

只有一種方法能解決這個佯謬。我們自然而然地得出一個驚人的結論,而愛因斯坦第一次想到這個結論時就完全被驚呆了。對這個佯謬唯一的解決辦法是,對於汽車中的我們而言,時間變慢了。如果行人用望遠鏡盯著我們的汽車,他會看到車中的每個人行動都極其遲緩。然而,車中的我們從沒注意到時間正在慢下來,這是因為我們的腦筋也慢下來了。對於我們而言,一切似乎都正常。此外,他看到汽車在運動方向上變扁了。汽車像手風琴一樣縮攏起來。然而,我們從來沒有感覺到這個效應,這是因為我們的身體也在收縮。

3.2狹義相對性原理:是指物理學的基本定律乃至自然規律,對所有慣性參考系來說都相同。

3.3廣義相對性原理

物理定律的形式在一切參考系都是不變的。該定理是狹義相對性原理的推廣。在狹義相對論中,如果我們嘗試去定義慣性系,會出現死循環:一般地,不受外力的物體,在其保持靜止或勻速直線運動狀態不變的坐標系是慣性系;但如何判定物體不受外力?回答只能是,當物體保持靜止或勻速直線運動狀態不變時,物體不受外力。很明顯,邏輯出現了難以消除的死循環。這說明對於慣性系,人們無法給出嚴格定義,這不能不說是狹義相對論的嚴重缺憾。為了解決這個問題,愛因斯坦直接將慣性系的概念從相對論中剔除,用「任何參考系」代替了原來狹義相對性原理中「慣性系」。

為了理解廣義相對論,我們必須明確質量在經典力學中是如何定義的。首先,讓我們思考一下質量在日常生活中代表什麼。「它是重量」?事實上,我們認為質量是某種可稱量的東西,正如我們是這樣度量它的:我們把需要測出其質量的物體放在一架天平上。我們這樣做是利用了質量的什麼性質呢?是地球和被測物體相互吸引的事實。這種質量被稱作「引力質量」(m1:m2=F1:F2)。我們稱它為「引力的」是因為它決定了宇宙中所有星星和恆星的運行:地球和太陽間的引力質量驅使地球圍繞後者作近乎圓形的環繞運動。

試著在一個平面上推你的汽車。你不能否認你的汽車強烈地反抗著你要給它的加速度。這是因為你的汽車有一個非常大的質量。移動輕的物體要比移動重的物體輕鬆。質量也可以用另一種方式定義:「它反抗加速度」。這種質量被稱作「慣性質量」(m=F/a,注:這不是牛頓定律,只是一種測量質量的方法)。

因此我們得出這個結論:我們可以用兩種方法度量質量。要麼我們稱它的重量(非常簡單),要麼我們測量它對加速度的抵抗(使用力與加速度的比值)。

四、引力質量和慣性質量的等同性

愛因斯坦一直在尋找「引力質量與慣性質量相等」的解釋。為了這個目標,他作出了被稱作「等同原理」的第三假設。它說明:如果一個慣性系相對於一個伽利略系被均勻地加速,那麼我們就可以通過引入相對於它的一個均勻引力場而認為它(該慣性系)是靜止的。

讓我們來考查一個慣性系K』,它有一個相對於伽利略系的均勻加速運動。在K 和K』周圍有許多物體。此物體相對於K是靜止的。因此這些物體相對於K』有一個相同的加速運動。這個加速度對所有的物體都是相同的,並且與K』相對於K的加速度方向相反。我們說過,在一個引力場中所有物體的加速度的大小都是相同的,因此其效果等同於K』是靜止的並且存在一個均勻的引力場。

因此如果我們確立等同原理,物體的兩種質量相等只是它的一個簡單推論。 這就是為什麼(質量)等同是支持等同原理的一個重要論據。

小結:從胡克的引力與距離平方成反比的觀點,到牛頓的萬有引力定律人們認為物理理論走到了終點。愛恩斯坦的出現,徹底打破了這種幻想。當時愛因斯坦給出的檢驗方法很簡單,就是測量經過太陽附近的光線,只要對照太陽背後的星光在經過太陽附近時的位置變化,就能確定光線是否彎曲。由於太陽光強度太大,白天它周圍是看不見星星的,幸好在廣義相對論發表三年後,就發生了一次日全食,英國天文學界就組織了兩支觀測隊分別前往兩個全食帶經過的地區,其中由愛丁頓帶領前往非洲的觀測隊成功拍攝到全食照片,雖然有點模糊,但還是能分辨出星星位置確實發生位移,並且當時公布位移量與廣義相對論的計算結果吻合。

說完空間彎曲,下面來說時間彎曲吧,這其實就是引力場時間膨脹。這個已經有大家非常熟悉的GPS衛星導航系統精確證明了,在不同的高度下,衛星時間需要根據狹義相對論和廣義相對論對速度和高度引起的相對時間同時進行修正。

地球的自轉只能產生旋轉力,現在人們普遍認為,萬有引力或時空彎曲才是引力的真正原因。

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  • 萬有引力的本質是時空彎曲嗎?
    愛因斯坦的時空彎曲論,反映的仍是現象,並非本質。何為本質?牛頓與愛因斯坦都未涉及。愛因斯坦的時空彎曲一、宇宙為什麼需要萬有引力?沒有萬有引力就沒有時空,就沒有宇宙的生命,所以,運動與萬有引力是一對平衡力,二者的平衡維持著宇宙的生命。這是宇宙需要萬有引力的本質,而不是牛頓與愛因斯坦反映的科學現象。二、萬有引力與時空彎曲的關係假如沒有萬有引力,物質的運動將保持勻速直線運動,四散而去。
  • 時空彎曲與引力的關係
    根據上面的公式我們可以看出從整個方程式的意義:空間物質的能量-動量(T_uv)分布=空間的彎曲狀況(R_uv)。而(T_uv)所代表的是時空,是能量分布,使時空可以產生引力。所以時空彎曲是通過引力完成的,是引力作用使得時空空間的彎曲。
  • 在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
    如果光經過扭曲的時空也會,即可證明時空真的發生了扭曲。論證之前,我們先講明白原理。我用生活中一些簡單的例子,來解釋關於引力,光、時空的關係。一、萬有引力是時空彎曲的表現二、何為時空三、光被「掰彎「了萬有引力是時空彎曲的表現什麼是萬有引力,最早是牛頓告訴我們的,把蘋果從樹上拉下來的力,就是萬有引力。萬有引力是兩個物體的質點互相吸引產生的力。
  • 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?
    看不見摸不著的時空就像水遍布宇宙的任何角落,所有的物質都在時空中存在和運行。這些物質在時空中,質量越大,導致的擾動就越大。這種擾動有點像漩渦或陷阱,每個大大小小的物質都會在自己周圍全方位造成漩渦或陷阱,質量越大,漩渦陷阱就越大越深。
  • 時空為什麼彎曲?
    我們認識的時空是人類視角(光速)時空,時空彎曲是由大質量天體產生,(愛因斯坦的理解)與速度有關嗎?第一宇宙速度是7.9千米/秒,物體如果達到7.9千米/秒的速度,它就會永遠地繞地球運行而不會從天上掉下來,我們也之稱為環繞速度;第二宇宙速度是11.2千米/秒,物體如果達到這個速度,將會逃離地球的束縛飛向星際空間(太陽系之內),我們也之為脫離速度;第三宇宙速度是16.7千米/秒,若是要到太陽系外去旅行那就要達到這個速度。
  • 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。也就是說,沒了這三種作用力,宇宙中的物質也不會存在。因此,更合理的說法應該是,四種相互作用才是「萬物的秩序規則」。引力關於「引力」的解釋,歷來說法有很多,而且引力至今也是科學家在思考和研究的對象。我們可以先簡單描述一下引力的作用,如果從宇宙的大尺度上來看,引力是星系的粘合劑,如果沒有它們,宇宙中的物質會成一盤散沙。
  • 萬有引力的本質到底是什麼?引力子還是時空彎曲?
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。
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    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。而這個更大的奧秘(引力的本質)留給了幾百年後的科學家,他就是偉大的愛因斯坦。
  • 彎曲時空,引力退散
    除了量子引力暫且不討論之外,其他的不均勻引力場都有一個共同的性質:當我們看越小的空間尺度時,這個不均勻引力場的不均勻性也越小;當我們看足夠小的空間尺度時,不均勻性就可以忽略了,我們看到的其實是近似均勻的引力場。舉一個例子,空間站上的太空人以一個相當大的跨度去看地球的引力場,他看到地球的引力場是向著地心的,是不均勻的引力場。
  • 時空彎曲產生引力改為引力使時空彎曲,能不能解釋相對論的問題?
    回到引力身上引力是什麼,人類從發明出哲學開始,已經思考論證了差不多2000年了。其中能拿到檯面上爭論,可以驗證對錯的,就是牛頓和愛因斯坦的引力之爭。牛頓發現萬有引力後,從「萬有」這個命名,大家應該可以理解到,引力不用管如何產生!上帝只需要在最初一刻推動一下天鍾即可。簡單的說,牛頓認為引力是宇宙的標配,無處不在,傳播不需要時間。
  • 引力的本質是什麼?平直時空到彎曲時空再到弦論,誰才是正確的?
    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
  • 既然相對論說明了引力是時空彎曲,為什麼還沒有把引力廢除?
    依照愛因斯坦的相對論,質量會引起時空彎曲,這是萬有引力的本質。有人認為時空彎曲是引力的本質,引力就是假象,應該廢除引力。這是誤解了相對論,時空彎曲是本質,但是引力也不是假象。力是物質之間的相互作用。引力完全符合力的定義,物質通過萬有引力互相吸引,就是相互作用的表現形式。
  • 萬物之間都有引力,萬有引力的本質到底是什麼?
    按照愛因斯坦廣義相對論的詮釋,引力的本質就是時空彎曲。簡單說,方程的左邊是時空彎曲情況,右邊是物質及其運動情況,用一句話總結:物質告訴時空如何彎曲,而時空告訴物質如何運動!
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    ,而這種極度有序的運行狀態源於宇宙間存在的一種基本力,引力。有趣的是,這種能夠主導宇宙系統運行的力竟然是因為一個蘋果而被人類所發現的。從那個蘋果砸中牛頓的一刻開始,牛頓忽然意識到是重力在導致蘋果下墜,而且不僅是大地,任何一個有質量的物體都具有引力,所以任何兩個物體都會相互吸引,這就是萬有引力。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    恆星系、星系、星系團,宇宙間大大小小的系統都處於一種極度穩定的狀態下有序運行,而這種極度有序的運行狀態源於宇宙間存在的一種基本力,引力。有趣的是,這種能夠主導宇宙系統運行的力竟然是因為一個蘋果而被人類所發現的。從那個蘋果砸中牛頓的一刻開始,牛頓忽然意識到是重力在導致蘋果下墜,而且不僅是大地,任何一個有質量的物體都具有引力,所以任何兩個物體都會相互吸引,這就是萬有引力。
  • 引力是時空性質,不是由時空曲率產生的!
    正如約翰惠勒說的:「物體告訴時空如何彎曲,時空告訴物體如何運動。」其話的深層寓意是物質引力使得時空彎曲,時空彎曲影響物質如何運動,而物質如何運動又可以影響物質質量,物質質量又影響引力。 這才是準確的「順序」。不是時空曲率直接使得引力產生,也不是時空曲率決定引力的大小。
  • 愛因斯坦指出牛頓錯誤,直言引力並不存在,只是「時空的彎曲」
    1687年,牛頓提出了「萬有引力定律」,值得注意的是,牛頓和蘋果的故事並不是引力的來源。牛頓本人從未提及過相關的故事,關於引力的研究並不是突發奇想,而是在漫長研究中誕生的理論。首先,「引力」在愛因斯坦看來,其實並不存在,所謂的引力是質量對時空的影響,並不是一種單純的力i,其實仔細思考一下就會發現,引力的很多特徵並不符合我們熟知的力。引力絲毫並不需要介質,並且引力似乎不會因為吸引某個物體後發生衰減,只是會根據距離的不同呈現出不同程度的力。因此愛因斯坦在不斷研究後指出,引力並不是力,而是「時空塌陷」。