網友問:既然廣義相對論中引力本不存在,為何不把引力替代掉?

2020-12-06 艾伯史密斯

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萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋,本質上是對同一事物的兩種描述而已,沒有對錯之分,只有適用範圍之分;其中牛頓力學的描述形式簡單,但只在弱引力場中生效,廣義相對論的描述比較複雜,適用於所有場合。

在廣義相對論中,愛因斯坦以時空彎曲來描述引力,並獲得了巨大的成功,解釋了很多萬有引力定律解釋不了的現象,根據廣義相對論的描述,引力的本質就是時空彎曲,實際當中根本不存在「引力」這個事物。

但是我們在絕大部分的情況下,都是使用牛頓力學而非相對論力學,比如預測宇宙飛船的飛行軌跡用牛頓力學足夠,哪怕描述白矮星這樣緻密的天體時,使用牛頓力學也能達到很高的精度。

只有在研究更為極端的現象,比如中子星、黑洞、巨大的星系時,萬有引力定律才會出現較大偏差,此時愛因斯坦的廣義相對論將發揮作用。

從本質上說,萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋,都是對同一事物的不同描述,萬有引力定律使用超距作用「引力」來進行解釋,數學圖像為引力場分布梯度,而廣義相對論使用時空彎曲來解釋,數學圖像為彎曲的時空,兩者其實等效的。只不過萬有引力定律存在局限性,只適用於弱引力場中,而廣義相對論適用於所有場合。

除了以上兩種描述外,在物理學中還有其他描述引力的數學模型,比如量子力學試圖把引力量子化,另外三種基本力,強力、弱力和電磁力均實現了量子化,都有著各自的傳遞粒子,量子力學預言引力的傳遞粒子是「引力子」,自旋為2,質量為零,但是目前科學家還未探測到引力子的存在。

所以即便萬有引力定律是相對論在弱場下的近似,萬有引力定律也無法被廣義相對論完全代替,相比之下,萬有引力定律的使用更加方便和簡潔,而且在絕大部分情況下均能達到足夠的精度,太陽系內的絕大部分天文現象,利用萬有引力就可以進行精確預言,比如日全食的時間,某顆彗星的回歸周期等等。

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    萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋,本質上是對同一事物的兩種描述而已,沒有對錯之分,只有適用範圍之分;其中牛頓力學的描述形式簡單,但只在弱引力場中生效,廣義相對論的描述比較複雜,適用於所有場合。在廣義相對論中,愛因斯坦以時空彎曲來描述引力,並獲得了巨大的成功,解釋了很多萬有引力定律解釋不了的現象,根據廣義相對論的描述,引力的本質就是時空彎曲,實際當中根本不存在「引力」這個事物。
  • 愛因斯坦廣義相對論,為什麼能夠把「引力」幾何化?
    前面幾篇文章中,我們都是圍繞「引力」來談廣義相對論的,大家可能會覺得好奇,為啥廣義相對論非要重點去討論引力,引力有啥玄妙值得我寫好幾篇文章來講。哈哈,其實引力對廣義相對論的作用,可遠遠不止這些,理解「引力變得不是力」,這是你從狹義相對論走向廣義相對論的必經橋梁,這也是一種全新的解決運動力學的思路和方法。
  • 為什麼說廣義相對論肯定不是終極引力理論?
    然而,根據牛頓引力理論,水星近日點每100年的進動值比觀測值少了43角秒。雖然差距不大,但已經表明萬有引力定律不是完美的引力理論,它存在缺陷。 愛因斯坦的引力理論 在創立狹義相對論之後,愛因斯坦發現引力不滿足洛倫茲協變性,無法納入相對論框架。
  • 廣義相對論:愛因斯坦在史無前例的引力紅移測試中獲勝
    但更重要的是黑洞周圍嚴重彎曲空間的影響,這導致了廣義相對論中一些令人著迷的效應。當一個輻射量子離開引力場時,它的頻率必須紅移以保存能量;當它掉進去的時候,一定是藍色的。只有當引力本身不僅與質量有關,而且與能量有關時,這才有意義。引力紅移是愛因斯坦廣義相對論的核心預測之一,但從未在我們銀河系中心這樣的強磁場環境中直接得到驗證。
  • 怎樣理解廣義相對論中引力的非線性?
    愛因斯坦在廣義相對論中提出了引力場方程,這是一個非線性偏微分方程組(非線性指存在次數大於1的微分項)。而事實也證明,由於非線性,引力場方程的求解將是一個非常困難的事情。恆星周圍的空間彎曲實際上,引力場方程的非線性(引力的非線性)在物理中是有一個比較貼切的對應的,我們可以從這個物理現象來理解引力的非線性
  • 廣義相對論一直認為引力不是力,為啥我們教科書還要談引力
    眾所周知愛因斯坦提出了一個理論叫:廣義相對論,這個理論最大的反常規觀點就是:引力不是一種力,這個觀點非常挑戰人類的直覺,所以到現在為止都有很多網友無法贊同這種觀點,但是引力為啥不是力,愛因斯坦是如何做出這一個論斷的,為啥我們的教科書還要談引力,今天我們就來談談這個問題。
  • 引力是什麼?引力真的存在嗎?
    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。
  • 廣義相對論中引力是如何使時間變慢的?
    愛因斯坦沒有止步於狹義相對論,因為物理學中有慣性系也有非慣性系,狹義相對論並不能深入到非慣性系中。1911年愛因斯坦在進一步思考的時候有了他「一生中最有價值的想法」,那就是一個人在做自由落體運動時不會感到有重力作用。1915年愛因斯坦在此基礎上給出了「等效原理」,即引力場等同於以適當加速度運動的參考系。處在引力場中的物體如果選擇合適的參考系,它的運動方程中就不會有引力項。
  • 引力是如何產生的?——從萬有引力理論到廣義相對論
    憑藉等效原理和廣義相對性原理,愛因斯坦於1916年提出了全新的引力理論——廣義相對論。在給出廣義相對論的引力場方程以後,愛因斯坦第一時間通過弱場近似方法求解引力場方程,並給出了廣義相對論下計算的水星近日點進動與牛頓理論的誤差值為43.03,與實際觀測值非常接近。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    萬有引力公式很直觀的告訴了我們一個事實,物體間的引力與兩個物體的質量和距離是緊密相關的。然而,萬有引力理論存在著一個問題,它給了我們一個計算引力的公式,並能夠幫助我們在現實中解決實際問題,可卻沒能弄清引力的本質到底是什麼,引力到底是從何而來的?
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    萬有引力公式很直觀的告訴了我們一個事實,物體間的引力與兩個物體的質量和距離是緊密相關的。然而,萬有引力理論存在著一個問題,它給了我們一個計算引力的公式,並能夠幫助我們在現實中解決實際問題,可卻沒能弄清引力的本質到底是什麼,引力到底是從何而來的?因為不清楚引力的本質,所以牛頓的萬有引力公式其實是存在問題的。
  • 引力量子場論可統一廣義相對論與量子力學
    有沒有一種理論可以統一廣義相對論和量子力學?有沒有一種理論可以統一描述引力、電磁力、弱力、強力四種基本作用力?
  • 光沒有質量,為何還會受引力影響?廣義相對論做出了解釋
    如果光子無質量,為何光受引力影響?這是一個非常棒的問題 … 首先,愛因斯坦的廣義相對論回答了這個問題。 (劇透預警,光沿測地線傳播,測地線在人類日常生活中遇到的情況裡大致相當於直線,但它們因引力而彎曲)。
  • 段一士先生的講義:《廣義相對論與引力規範理論》
    在本書內容的整理過程中, 西安交通大學張勝利教授提供了他記錄的段先生八十年代在中國科學院研究生院講授廣義相對論和引力規範理論時的筆記, 劉玉孝、王永強、趙力、魏少文進行了修改和補充. 廣義相對論是關於時間、空間與物質及其運動相互依賴關係的理論, 特別是在描述大尺度時空範圍內的物理過程中已成為不可或缺的理論工具.
  • 引力不存在?所有引力都可以用「參考系有加速度」來解釋?
    前面的文章中,我詳細分析了關於廣義相對論建立的基礎,以及廣義相對論對引力的排斥,因為愛因斯坦說引力不存在,這是一句非常違背人類直覺的話,以至於剛剛提出時也有很多人反對。前面我們已經說過,廣義相對論中不承認有引力的存在,很多人不理解這句話,但是當你坐在一個椅子上,你真能感受到重力(引力)嗎?你也許會回答:能感受到,而且非常明顯。但是你實際感受到的並不是重力,而是椅子對你的支持力,對吧,重力只是以支持力的形式,讓你間接感受到了而已。
  • 廣義相對論驗證引力是由時空扭曲產生!
    時空扭曲產生引力,創造出神奇宇宙奇觀。牛人們總是在一開始本部能夠得到大眾的認可,就像愛因斯坦,他的廣義相對論所提及的引力在一開始因為只是一個猜想而不被外界所認同,直到最後的以證明人們才不得不接受了這一事實。
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    雖然你可以在廣義相對論的背景下解釋暗能量,但最近嘗試通過改變引力來解釋暗能量已經成為一種時尚。最近,獲獎的克勞迪婭·德拉姆博士的理論工作成為焦點,導致《衛報》發問:「物理學家的引力理論是否解決了『不可能』的暗能量之謎?」 這是一個令人著迷的可能性,但需要有適當程度的懷疑。
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    為什麼對彈跳球的預測會在廣義相對論和牛頓引力之間產生分歧? 從概念上講,這是一件簡單而有趣的問題,你可以在這裡看,如果在理論物理網站上的文章讓你感到震驚又失望的話。
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    量子引力理論是一種結合了量子力學和廣義相對論的假想理論,它可以解答一些我們關於物理世界的深刻提問,稱它為物理界的聖杯實至名歸。為什麼我們需要量子引力理論?最重要的是,廣義相對論不需要預設時空的存在,因而是一種背景獨立理論。量子引力理論是一種解釋範圍更廣泛的背景獨立理論,可以用來解釋物質的量子特性和普朗克尺度(最小的空間單元為10^-33cm,最小的時間單元是10^-43s,該尺度內量子效應顯著)下時空的量子特性。