引力極其強大,但又極其弱小,其本質究竟是什麼?

2020-12-05 靚仔講知識

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重力是宇宙中普遍存在的一種基本力,其餘三種力分別是電磁力、強核力和弱核力,由於這三種力都已找到相應的介質粒子,因此也達到了統一,只有引力不能與之相匹配。

正如強、弱核力和電磁力的介質粒子膠子、 W和 Z玻色子和光子一樣,人們也希望能找到引力介質粒子,並將這類粒子預先命名為引力子,只可惜事與願違,至今仍未發現引力子的蛛絲馬跡。重力是一種非常強大的力量,它在宇宙中隨處可見,小到一塊石頭,大到宇宙中的物體,沒有一塊沒有重力的物體,我們的地球能穩定地繞著太陽運轉,也是託著重力的福。但是,重力在另一方面又是極其微弱的,它是四種基本力中最弱的,幾乎不能和任何力量抗衡。

整塊地心引力正在把我們手中的手機往下拉,但是我們可以輕易地把它拿起來,即使只有一歲的孩子也能在和地心引力的對抗中獲勝。

真有意思,引力如此之大,又如此之弱,究竟是什麼力量?其實質何在?最早對引力做出精確定義的人是牛頓,他的萬有引力定律第一次使人類如此接近引力的真理。Newton認為任何物體都有互相吸引的力,而這種力是一種超距作用,即引力是瞬間發生的,不需要時間進行傳導。根據牛頓的理論,引力與兩個因素有關,一個是物體的質量,質量越大,引力就越大,另一個是距離,距離越遠,彼此之間的引力就越小。很明顯,牛頓的理論表明,引力和空間是有聯繫的,但是它和時間無關。在牛頓的萬有引力和愛因斯坦的廣義相對論之間,存在著巨大的差異。

一般人最熟悉的引力觀——牛頓萬有引力定律,無論應用於日常生活,還是空間工程,都非常精確,但這並非引力的本質,它只是對重力在地球宏觀低速環境中的特殊描述。

問題是,在人們試圖用萬有引力定律來計算水星的進動時,計算值和真實值發生了難以接受的誤差。這個問題也得到了另一個理論的解答,即愛因斯坦的廣義相對論,由相對論公式計算出的水星進動值和實際進動值幾乎一樣。所以,關於引力的相對論認知,就是引力的本質嗎?對於重力,相對論是如何被解釋的呢?在本質上,愛因斯坦與牛頓有很大不同,牛頓認為空間並非獨立存在,而是與時間和被稱為時空的一體。

在愛因斯坦看來,重力的本質是時空的彎曲。

質量物體引起時空彎曲,質量越大,時空彎曲的曲率也越大;因為引力定律和廣義相對論之間存在著本質上的差異,所以它們對天體運動的描述也大相逕庭。根據引力定律,地球繞太陽公轉的原因是,地球在繞太陽公轉的過程中,受到太陽引力的吸引,同時,由於地球形成時存在著與太陽公轉的引力方向垂直的初始運動速度,由於宇宙幾乎處於真空狀態,這種運動將持續下去,因此,在兩個方向不同的力的共同作用下,地球便實現了繞太陽公轉。

與之相比,廣義相對論的認識則有不同,它認為,由於太陽的質量很大,從而導致其周圍時空的嚴重彎曲,因此地球只能沿著測地線運動。

測地線是什麼?兩點之間的直線在平面上最短,但在彎曲的球面上卻不同。

例如,我們把 AB兩點畫在足球表面上,那麼兩點之間的最短距離是多少?把足球的球心當作圓心,然後在 AB兩點處畫一個圓,此時 AB兩點相連的弧線是兩點間的最短距離。

受重力影響的物體在平面上沿兩點或兩條直線的最短距離,即直線運動;在曲面上,物體仍沿最短距離,即測地線運動。根據廣義相對論,這是地球圍繞太陽運轉的根本原因。在廣義相對論中,愛因斯坦成功地預言了黑洞和引力波的存在,這一點現在也得到了證實。根據廣義相對論,我們可以得出一個結論,即引力的本質是時空彎曲。

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    引力是一種非常強大的力,它遍布於宇宙之中,小到一磚一石,大到宇宙天體,無一不受引力的作用,我們的地球能夠圍繞太陽穩定運行也是託了引力的福。然而另一方面,引力又是無比弱小的,是四種基本力中最弱的一個,它幾乎無法與任何力量相抗衡。
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