牛頓的萬有引力深入人心,可為什麼愛因斯坦卻說引力並不存在?

2020-11-22 鍾銘聊科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

地心說

天文學算是人類文明中比較古老的一門學問了。四大文明和海洋文明都各自在這個領域取得巨大的成果。其中在海洋文明中,通過幾代哲學家和數學家的努力,最終拿到了一套模型,這就是大名鼎鼎的地心說模型。這個模型是在託勒密時代大功告成的,並且被後世所接受,在整個西方的學術圈中流傳了1400多年。

通過地心說模型,我們就會發現,古人很早就發現了有一部分特殊的天體會動。只不過,他們沒有足夠的證據證明地球本身在動,因此,他們假設地球是不動地,以地球為絕對參考系來看其他的天體,就會認為其他的天體都在繞著地球運動。同時,當時的學者其實已經發現天體走的軌跡並不是完全的圓,但由於他們對於「天界完美」的信仰,還是用各種圓來套,這使得地球說成為極其複雜的一套理論。至於「天體會繞著地球轉」,當時認為天界都是由「以太」構成的,這種物質就會使得天體走出「圓」的軌跡。

牛頓的萬有引力定律

後來,哥白尼首先對地心說提出了質疑,並提出了日心說模型。伽利略發現並不是所有的天體都繞著地球轉,並提出地球可以動的理論。而幾乎在同時,克卜勒發現了行星繞著太陽的軌跡其實是橢圓。克卜勒的師傅第谷觀測到了超新星和彗星的現象,證明了天界並不是完美的。

經過這四個人的努力,地心說的地位其實搖搖欲墜,全靠教會支撐著。不過,克卜勒的發現也遺留了一個很重要的問題,那就是為什麼行星繞著太陽轉的軌跡是橢圓?

後來,牛頓在1687年發表了著作《自然哲學的數學原理》。在這本著作中,牛頓提出了著名的牛頓力學理論和萬有引力定律。

牛頓認為,地球之所以繞著太陽轉並且軌跡是橢圓,是因為地球受到了太陽的引力作用。他還給出了萬有引力的關係式,引力與物體的質量成正比,與兩個物體之間的距離的平方成反比。

牛頓的這條理論很好解釋了前輩們遺留下來的問題,並且能夠非常準確地描述天體的運動,還可以用來預測天體的位置。後來,有數學家僅僅利用牛頓的理論,通過紙和筆就找到了海王星。所以,牛頓的理論被學術界廣泛認可,並且他也成了科學史上的地位最崇高的科學家之一。

雖然牛頓的理論已經很牛了,但是學者們還是發現了一個問題,這個問題也被稱為水星的近日點進動。學者們發現,水星的運動軌跡確實是橢圓,只不過這個橢圓並不是固定的,而是橢圓自身也在動。這其實也是牛頓的萬有引力定律的瑕疵,一直以來學者們都無法解決。那這究竟是咋回事呢?到底是哪裡出了問題?

愛因斯坦的廣義相對論

解決這個問題的科學家是愛因斯坦,他在1915年提出了著名的廣義相對論。在牛頓的理論當中,做了一個基礎假設,這個假設認為時間和空間是割裂開的,時間就是時間,空間就是空間,兩者並沒有什麼關係。除此之外,牛頓還認為物體的運動狀態並不影響時間和空間。說白了,任何人看到的一米長都是一樣的長得,任何人感受到的一秒鐘都是相同的一秒鐘,這也被稱為牛頓的絕對時空觀。

不過,愛因斯坦通過光速不變原理和洛倫茲變換推導出了全新的理論,也就是狹義相對論。在狹義相對論當中,他發現時間和空間不能獨立,或者我們可以說時間和空間在某種程度上看是等價的,兩者應該被並成為:時空。基於狹義相對論,愛因斯坦進一步推廣得到廣義相對論,他認為,根本不存在引力,地球繞著太陽轉的現象是由於時空彎曲成的

廣義相對論被提出時,大多數的科學家都無法接受。不過,後來在1919年,天文學家愛丁頓帶隊觀測日全食,從而證明了廣義相對論是正確的,這才使得愛因斯坦的廣義相對論被逐漸接受。

同時,在廣義相對論當中,就可以非常好地解釋水星近日點進動的問題。

總結

按照目前的學術圈的主流認同,也就是愛因斯坦的廣義相對論,地球繞著太陽運動的原因是時空彎曲造成的,太陽壓彎了周圍的時空,地球沿著時空的測地線在運動。

相關焦點

  • 牛頓提出萬有引力,愛因斯坦卻說引力不存在,相對論顛覆你的常識
    愛因斯坦卻是幸運的,他顛覆了物理學開山鼻祖牛頓提出的經典時空觀,卻幸運地趕上了天有異象,驗證了自己的理論並得到了學術界的認可。愛因斯坦的一生充滿傳奇,他的相對論更是物理學上的一朵奇葩。天空對我們來說本來是很神秘的存在,古人還要祭天求得風調雨順,可是物理學家卻看破宇宙的本質。天空還是那片天空,只不過不再神秘。相對論的誕生也是如此。一個物體,最初我們看到的它就是靜態的,是完完全全的它,可當它運動起來,在我們的眼裡,就因為遠近有了大小之分,而它運動的聲音也有了高低之分,那麼運動的物體還是原來的物體嗎?
  • 牛頓提出萬有引力,愛因斯坦卻說引力不存在,相對論顛覆你的常識
    愛因斯坦卻是幸運的,他顛覆了物理學開山鼻祖牛頓提出的經典時空觀,卻幸運地趕上了天有異象,驗證了自己的理論並得到了學術界的認可。愛因斯坦的一生充滿傳奇,他的相對論更是物理學上的一朵奇葩。天空對我們來說本來是很神秘的存在,古人還要祭天求得風調雨順,可是物理學家卻看破宇宙的本質。天空還是那片天空,只不過不再神秘。相對論的誕生也是如此。一個物體,最初我們看到的它就是靜態的,是完完全全的它,可當它運動起來,在我們的眼裡,就因為遠近有了大小之分,而它運動的聲音也有了高低之分,那麼運動的物體還是原來的物體嗎?不,他們還是原來的物體,只不過我們更理解它的本質了。
  • 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。以牛頓的理論為基礎,當時的科學家建立起了經典力學的宇宙觀,但是在進入二十世紀後,以普朗克和愛因斯坦為首的一眾科學家,提出了相對論和量子力學,打破了牛頓經典力學的宇宙觀。
  • 萬有引力真的存在嗎?是相對論推翻了牛頓的萬有引力嗎?
    學過物理學的都知道萬有引力,牛頓說,一切物體都有引力,物體的質量越大引力就越大,物體間的距離越遠,引力就越小。愛因斯坦的相對論徹底詮釋了引力到底是什麼?相對論以一種新的理論證明了引力這東西根本不存在。
  • 牛頓的萬有引力,愛因斯坦的相對論
    牛頓在科學人類貢獻史有三部分,第一,力學的萬有引力和牛頓三大力學定律,第二,光學的光譜光粒子研究,第三,數學的微積分,牛頓在力學方面發現的萬有引力定律是在大概1665-1666年,傳言是在一棵蘋果樹下發現的,牛頓力學三大定律是總結前人的經驗和觀點,尤其是伽利略提出的少部分科學理論,光學是牛頓拿一塊稜鏡在家裡做實驗
  • 牛頓提出萬有引力,我們也能感受到引力,愛因斯坦為何說它不存在
    筆者:三體-小遙數百年前,牛頓在蘋果樹下得到靈感,提出了萬有引力的重要觀點,奠定了物理學的基礎。作為力學三大經典理論之一,萬有引力的出現,也為人們探索宇宙天體的運行規律提供了理論支持。實際上,牛頓並沒有對引力的形成原因進行深入的闡述,這也留給後人許多值得探討的空間。有觀點認為,有了引力才產生了重量;也有觀點認為,有了引力才有重量。愛因斯坦同樣對引力進行了深入的研究,他的觀點更偏向於後者,甚至認為引力很有可能並不存在。
  • 愛因斯坦是如何解決牛頓疑問的?
    牛頓不得不離開劍橋,回到了鄉下 ,然而鄉下的日子也是很充實的——他的果園成了他思考數學、物理問題的場所。這註定是不平凡的一天,當牛頓坐在蘋果樹下思考時,一個蘋果砸到了他的頭上。於是一個廣為人知的問題在牛頓腦海中出現了,蘋果為什麼會往地下掉?答案也是眾人皆知,這是因為有萬有引力!仿佛一個砸在地上的蘋果,引導牛頓超前、獨立地思考出了萬有引力理論。
  • 愛因斯坦是如何解決牛頓疑問的?
    這註定是不平凡的一天,當牛頓坐在蘋果樹下思考時,一個蘋果砸到了他的頭上。於是一個廣為人知的問題在牛頓腦海中出現了,蘋果為什麼會往地下掉?答案也是眾人皆知,這是因為有萬有引力!仿佛一個砸在地上的蘋果,引導牛頓超前、獨立地思考出了萬有引力理論。 事實真的是這樣嗎? 不是的。
  • 牛頓萬有引力遇上愛因斯坦相對論,愛因斯坦才是那顆最亮的星
    提起牛頓和愛因斯坦沒有人會感到陌生,反而更多的是尊敬和膜拜。畢竟這兩位科學家太厲害了,他們所做的貢獻可以毫不誇張的說是前無古人後無來者。選擇兩位最偉大的科學家其實空間還是很大的,但如果要讓你只能選擇一位最偉大的科學家呢?這個時候牛頓和愛因斯坦誰會佔據C位呢?
  • 美媒:牛頓和愛因斯坦萬有引力定律非完全正確?
    參考消息網站1月4日報導 美媒稱,荷蘭萊頓大學的瑪戈·布勞沃很勇敢——如果你一舉挑戰愛因斯坦和牛頓的話,你必須得勇敢。據美國石英財經網站1月2日報導,布勞沃和她的同事們認為,牛頓發現並經愛因斯坦的相對論進一步擴展的萬有引力定律並非完全正確。
  • 牛頓的萬有引力定律與愛因斯坦的相對論有什麼聯繫和區別?
    牛頓萬有引力定律與愛因斯坦相對論是兩個層次的理論。萬有引力定律就像一個梯子的下面幾級,比較接地氣,指導了人類幾百年的科學研究和技術發展;而廣義相對論是梯子的上面幾級,站得更高看得更遠。但我們爬梯子必須先踩在下面幾級才能攀爬到上面。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。
  • 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。
  • 是牛頓還是愛因斯坦?
    牛頓用自己製作的反射望遠鏡跟蹤這顆彗星,它的軌道完全遵循他在20年前建立的萬有引力定律。哈雷意識到牛頓研究非凡的意義,1687年,在哈雷的資助下,牛頓出版了巨著《自然哲學的數學原理》[1]。牛頓在書中給出了牛頓三定律和第一個引力理論——萬有引力定律,描述了任何有質量的粒子間相互吸引的作用,兩個質量m1、m2距離r的粒子受到引力F為:式中G是萬有引力常數。
  • 解讀引力理論發展史:從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的時空彎曲
    這就是慣性定律的雛形,可是伽利略並不清楚其中的緣由。這時候壓軸大神登場了。牛頓結合克卜勒的三大定律和伽利略對慣性的思考提出了驚人的萬有引力定律。牛頓牛頓在想,為什麼地球不是勻速直線運動在宇宙中?地球貌似沒有受到任何外力啊,地球繞太陽旋轉,肯定是一種力施加給了地球,這個力是太陽給的嗎?當牛頓的看到蘋果落地之後,啟發性的認識到萬有引力後。
  • 引力理論發展簡史:從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的時空彎曲
    這就是慣性定律的雛形,可是伽利略並不清楚其中的緣由。這時候壓軸大神登場了。牛頓結合克卜勒的三大定律和伽利略對慣性的思考提出了驚人的萬有引力定律。牛頓牛頓在想,為什麼地球不是勻速直線運動在宇宙中?萬有引力公式為了讓萬有引力的力和牛頓第二定律的F=ma統一起來,就需要一個引力常數。後來卡文迪許通過扭秤實驗精確的測量出來了引力常數G,這樣萬有引力公式就完美了。有了常數G,人類終於計算出來了地球的質量。
  • 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?
    牛頓萬有引力定律與愛因斯坦相對論是兩個層次的理論。萬有引力定律就像一個梯子的下面幾級,比較接地氣,指導了人類幾百年的科學研究和技術發展;而廣義相對論是梯子的上面幾級,站得更高看得更遠。但我們爬梯子必須先踩在下面幾級才能攀爬到上面。
  • 為什麼如今沒有牛頓、愛因斯坦這樣偉大的科學家了?
    傳播故事是人類的天性,牛頓和愛因斯坦之所以有如此大的名氣,和他們的故事有關。提到牛頓,我們就會想到牛頓被蘋果砸中,受此啟發提出了萬有引力,但其實這是伏爾泰的杜撰,伏爾泰前往法國時,剛好趕上了牛頓的葬禮,他看到當時的英國貴族爭相為其抬棺,並且牛頓能夠以非王室身份入葬威斯敏特大教堂非常震驚,因此他回國後大肆宣揚牛頓以及英國尊崇科學的風貌,其中就杜撰了牛頓被蘋果砸中才提出了萬有引力定律。
  • 為什麼如今沒有牛頓、愛因斯坦這樣偉大的科學家了?
    傳播故事是人類的天性,牛頓和愛因斯坦之所以有如此大的名氣,和他們的故事有關。,因此他回國後大肆宣揚牛頓以及英國尊崇科學的風貌,其中就杜撰了牛頓被蘋果砸中才提出了萬有引力定律。但實際上,牛頓在瘟疫流行,隔離在家時就已經思考萬有引力定律,後期能夠提出萬有引力定律完全是其多年研究的結果。
  • 愛因斯坦到底比牛頓偉大在哪些方面?
    我們都知道愛因斯坦和牛頓都是物理學的大咖級別人物,從時間上看牛頓在先愛因斯坦在後,但是從名氣上來看,似乎愛因斯坦更佔據上風,那麼愛因斯坦究竟比牛頓再哪些方面技高一籌,今天我們就來談談這個問題。有了以上基礎思維我們再看牛頓的萬有引力定律,這個定律是用來計算任何兩個有質量物體之間的引力大小的,通過萬有引力公式計算,然後再去實際測量數據,發現理論與數據高度吻合,所以證明了萬有引力的正確性,但是讓牛頓沒想到的是,這個世界上還存在著質量非常大的天體,比如黑洞。
  • 為什麼牛頓、愛因斯坦晚年都轉去研究神學?
    為什麼牛頓、愛因斯坦晚年都轉去研究神學?在人類探索宇宙的過程中,最重要的就是物理學的進步,作為物理學界的兩大巨頭,牛頓和愛因斯坦!他們兩人帶領了人類走向新的時代,對人類科學的進步是居功至偉的。而當兩位科學研究發展到極致的時候,甚至科學已經推翻宗教神學的時候,他們二人也曾經研究過神學。為什麼呢?