引力到底來自哪裡?就連愛因斯坦都不是絕對正確!

2020-12-04 火星科普

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

17世紀,牛頓發現天上天體的運動和地球上的蘋果落地,都是同一個力在起作用——引力。結合克卜勒行星運動三大定律和牛頓運動定律,牛頓推導出了萬有引力定律的數學表達式,發現了引力的存在。

只要有質量,萬物之間都存在引力作用,其大小與距離的平方成反比,與質量成正比。之所以宇宙中能夠存在地球、太陽,甚至銀河系、本星系群這樣巨大的天體,是因為引力起到了支配作用。不僅如此,引力還支配著天體的運動。

不過,牛頓的引力理論並沒有告訴我們引力的本質是什麼,引力是怎麼產生的。那麼,引力到底來自哪裡呢?

自那之後的很長時間裡,這個問題並沒有什麼進展。直到20世紀初,愛因斯坦創立廣義相對論之後,引力問題才取得重大突破。愛因斯坦從完全不同的角度來看待問題,他的廣義相對論成為繼牛頓萬有引力定律之後最成功的引力理論。

愛因斯坦認為,引力並非一種傳統意義上的力,而是一種源自於幾何的效應。空無一物的宇宙空間本來是平坦的,但如果存在質量體,空間就會被壓彎。空間的結構被壓彎之後,無論是其他物體,還是光子,都會沿著彎曲的空間運動,於是表現出了萬有引力。

基於這樣的原理,愛因斯坦創立了引力場方程,該方程組能夠比牛頓引力理論更好地描述宇宙中的各種引力現象。通過觀測實驗表明,遙遠的恆星光經過太陽附近時,出現的偏折角度完全符合廣義相對論的計算結果,而萬有引力定律的預言值小了一半。

不僅如此,廣義相對論還能預言此前未知的引力現象,例如,黑洞、引力波、引力時間膨脹效應,這些都已經被相繼發現。儘管如此,愛因斯坦的廣義相對論也是有局限的,並非是終極的引力理論。因為它無法解釋奇點問題,也無法與描述微觀世界的量子理論相互兼容。

因此,即便是愛因斯坦也沒有找到引力的本質。愛因斯坦對引力的幾何效應描述可能只是引力本質的一種近似,只是這個近似在很大程度上符合引力的本質,可以很好地描述宇宙中的各自引力現象。

為了得到終極的引力理論,就需要結合廣義相對論和量子力學。目前,比較有希望的大統一理論主要有兩個,一個是量子引力理論,還有一個是弦理論。

根據量子引力理論,引力就像另外三個基本自然力那樣,其產生機制源於一種無靜質量且速度為光速的基本粒子——引力子。不過,目前物理學家還沒有找到引力子的任何證據,而且量子引力理論在數學上還沒有做到自洽。

弦理論最被寄予厚望,因為它在數學上是自洽的。弦理論認為,宇宙中的各種粒子都可以進一步分割成不同振動方式的一維能量弦。在四維時空的基礎上,擴展出更高的維度,最高到十一維空間,由此就能很好地統一廣義相對論與量子力學。但由於弦理論的效應出現在能量極高的情況下,目前的粒子加速器還無法實現。

相關焦點

  • 愛因斯坦的相對論是絕對正確的嗎?
    了解科學的人都知道,科學是可以證偽的,目前這個思想被大多數科學家所接受。這意味著,所有的科學理論,包括相對論和量子力學,都是相對真理,都是可證偽的,都需要發展。限於篇幅,本文只與您討論相對論是否是絕對正確的?
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  • 愛因斯坦的相對論,或許他自己都不是很理解!
    在衛星的使用中,很多關於速度和信息交互的關係都是根據廣義相對論假設進行設計使用的。愛因斯坦的偉大不是白叫的,用著別人的思想成果還一堆謬論去反對,可笑的反智主義笨蛋,不服放下手機放下網際網路!什麼叫真正懂。經典物理直觀形象,感覺很好懂。但你真正懂嗎?
  • 為什麼連愛因斯坦都認為一切都是設計好的?
    但實際上,在歐洲中世紀,西歐的各個國家都是基督教國家,當時的新生兒出生後都要受洗,信基督教就好比中國儒家一樣。因此,牛頓是從小的信奉基督教,而不是到了晚年才開始信。除了牛頓這種謠言,還有兩位完全的無神論者愛因斯坦和達爾文,畢生都未曾信奉過神學。但是也經常被造謠到了晚年開始信奉宗教了。當然,如果你要問造謠的人有什麼證據,要麼拿出的是地攤文學,要麼連證據都拿不出來。
  • 為什麼愛因斯坦、相對論永遠正確
    編者按:曹廣軍先生研究相對論多年,在本文收集大量的史料,對愛因斯坦理論體系進行全方位的,深入細緻的分析。指出儘管愛因斯坦相對論漏洞百出,是一個地地道道的謬論,卻為何百年批不倒的原因在於,它已經不是一個單純的科學問題,而是一種集政治、社會、文化、種族等因素於一身的複雜現象。
  • 宇宙中的一切都是被安排好的?愛因斯坦的觀點或許是正確的
    人類文明高速發展的根本是「科學」的進步,正確的知識可以幫助一個文明不斷進步,在地球上人類孕育出過很多文明,可是大部分文明都消失在了歷史的車輪下,少數留存到今天的文明,也遭遇了戰爭的洗禮和文化的變遷,總體而言,人類文明在不到一萬年的時間中,創造出了如此多的的輝煌,足以證明人類的潛力。
  • 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。
  • 根據質能守恆,引力來自質量?質量來自能量,請問能量來自哪裡?
    但引力給予大家的印象卻是永恆的,它一直在那裡,任何時候它都是這樣,似乎無窮無盡,這不是違反熱力學第一定律嗎?能量和力是同一回事嗎?引力來自哪裡?如何來描述它?更準確的說萬有引力仍然是準確的,並沒有因為愛因斯坦的廣義相對論而被推翻,但有一個問題需要注意的是,牛頓認為時間和空間是分離的,兩個互不影響,可以簡單的稱為絕對時空觀,但愛因斯坦認為時間也會受到質量的影響,所以廣相認為引力是質量在時空中的表現
  • 100年前愛因斯坦教育思想今天更加正確
    愛因斯坦。我想告訴大家,愛因斯坦不僅僅是一個科學家,還是一個教育家,他1915年預測的東西,2015年發現對了。今天,我想說的是他的教育思想。有幾句話送給大家,不是我的,是愛因斯坦的。你可以看到我們經管學院實際上做的跟他100年前講的很多是很一致的。
  • 引力來自空間和時間的曲率,再次證明愛因斯坦是正確的!
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  • 絕對零度-273.15℃有多可怕?光都能被凍結
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  • 時空和引力來自於其他東西?那這是什麼東西?
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  • 根據能量守恆定律,地心引力來自哪裡?物質又是怎麼來的?
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  • 愛因斯坦的光線在法律上的映射:人能否追上絕對的公平?
    我們不妨結合愛因斯坦的經歷看一看問題的答案。「愛因斯坦的光線」這個實驗在理論上永遠不可能實現,這便會產生和對公平思考的相同問題:既然不可能實現,是不是就不要繼續浪費時間和金錢思考下去了呢?雖然在物理學中,運動可以被稱為「絕對」,但運動的速度卻不存在「絕對」。即使對於光速而言,根據目前的物理理論,它也並不是一個絕對不變的值。目前的實驗結果(或稱觀測結果)已經能夠證實,光會在引力的作用下會發生彎曲。而在引力足夠大的時候,光速就會減慢。此時,如果觀察者正在觀察被減慢了的光速,對於他而言,哪一個速度才是光的真正速度?
  • 核聚變、裂變損失的質量來自哪裡?
    ——愛因斯坦愛因斯坦的這句話正是體現了核能是一把雙刃劍,「核物理」這三個字是所有科學理論中最令人生畏和激動的短語之一。每當我們說到核物理,大多數人腦海中都會浮現出蘑菇雲的畫面,隨之而來的就是核輻射帶來的災難和揮之不去的陰影。
  • 為什麼我們如此迷戀愛因斯坦,有時就連他不曾說過的「名言」都照單...
    根據人們對《愛因斯坦語錄終極版》、維基語錄和 QuoteInvestigator.com 收錄愛因斯坦名言的調查,再加上身為愛因斯坦傳記作家的我所做的個人研究,我認為很多愛因斯坦名言的真實性的確存疑。實際上,我們無法清楚地確定前文提到的任何一句名言來源於愛因斯坦本人,唯一的例外是人盡皆知的「上帝不會擲骰子」。甚至連這句名言都是對愛因斯坦原話的縮略翻譯。
  • 時空、運動速度、剛體都是相對的,那世界上有沒有絕對的?
    剛體的概念是相對的,相對於某物體是剛體,但相對於另一個物體,它就不是剛體;剛體破碎無論剛性多大的物體,無論內部結合鍵多牢固從這個意義上說,壓根就沒有剛體,連理想狀態的剛體都沒有。時間和空間是相對的,相對論的「鍾慢尺縮」已經說的夠多了。另外時間不只時間間隔具有相對性,時間的同時性也具有相對性。質量具有相對性,所謂的質增效應就是不同參考系的不同觀察結果。能量……。可見相對性在宇宙中是很普遍的,否則愛因斯坦也不會把它上升為一個宇宙原理。
  • 愛因斯坦都不相信的宇宙膨脹,是如何成為主流假說的?
    科學理論比的不是誰更正確,因為他們都有足夠的證據作為支撐,它們實際上比的是誰更準。哥白尼剛提出日心說時,並沒有得到廣泛的認可,這是因為哥白尼的日心說和託勒密的地心說比起來,精度是差不多的,並沒有好到哪裡去。 直到後來伽利略提出了慣性定律和通過觀測證明了不是所有的天體都繞著地球轉,克卜勒提出了天體運動不是圓,而是橢圓。
  • 原子核聚變後中子與質子數都不變,虧損的質量來自哪裡?
    在這個話題中其實有兩個問題,因為我們需要了解損失的這些質量去哪裡了,、?然後還要搞清楚這些質量來自哪裡?為什麼要倒過來說,因為根據現象尋找本質是我們科學的學習方法,咱不妨來了解下!一、核聚變中,虧損的質量去哪了?