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。
那在廣義相對論框架下,引力的本質到底是什麼呢?
今天,我們就倆聊一聊這個話題。
"引力」現象
其實「引力」這個詞並非是一開始就有的,最早人們關注到的其實是「引力」的現象。在古希臘時期,人們就開始在思考,為什麼大多數的物體都會往地上掉?
甚至,到了現在,還盛傳著一個關於牛頓發現引力的謠言,這個謠言就是牛頓之所以發現引力是因為被蘋果給砸了。
當然,這個故事其實並非出自於牛頓之口,牛頓很早就開始就思考「引力」現象,而且恰恰他的住所門前有一顆蘋果樹。後來,由於他的侄女在和伏爾泰聊起牛頓時,可能是牛頓的侄女,也可能是伏爾泰就捏造了這麼一個故事。於是,這個謠言就開始盛傳了,不得不說伏爾泰卻是深受牛頓的影響。因為,他見證了牛頓的國葬,他認為當時的英國可以崛起,是因為他們對學者足夠的尊重,牛頓都可以被葬在當時只有貴族才能下葬的威斯敏斯特大教堂,並且為他抬棺材的四個人是英國地位最高的四位王公貴族。
當然,我們必須承認的是,牛頓確實偉大,他可以被認為是科學史上最重要的學者之一,可能只有愛因斯坦這樣的科學家才有可能媲美,如果把其他領域的貢獻也加進來,可能連愛因斯坦也只能望其項背。
而牛頓對於「引力」現象的解釋就是著名的萬有引力定律。他認為萬物都有彼此吸引的力。這個「吸引力」被他稱為萬有引力。在其著作《自然哲學的數學原理》中,牛頓詳細的講述了萬有引力定律。而如果我們在高中時就會學習到「去微積分化」的萬有引力定律。而他認為萬有引力與兩個之間的距離的平方成反比,與兩個物體的質量成正比。
通過萬有引力定律,以及運動學理論,牛頓把太空中天體的運動學規律和地球上的運動學規律統一了起來,在此之前,當時的學者一直都認為天空中是一套,地球上是一套。這裡補充一句,他們的表述其實是月亮以上的宇宙和月亮一下的世界是遵循兩套規律的。
牛頓的萬有引力定律取得的成功是不言而喻的,後來,科學家運用他的理論已經可以預測很多天體的現象。不過,他有一個問題沒能解決,這個問題就是萬有引力的本質到底是什麼?
牛頓其實在當時定義了時間和空間,他認為時間和空間是分立的,也還是絕對的。也就是說,時間是均勻流逝的,對誰都是一樣的,這也被稱為牛頓的絕對時空觀。而引力則是一種超距力,意思是說,引力的傳遞是瞬間完成的。
相對論
後來,到了1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論,在狹義相對論中,愛因斯坦提出了時空觀。他認為時間和空間應該結合起來看的,它們彼此相互聯繫,應該被稱為時空。時間的流逝其實與物體的運動狀態有關。
而我們所生活的世界其實是在一個四維時空當中,一維時間和三維的空間。但我們要知道的是愛因斯坦的狹義相對論其實是針對於慣性系而言的,說白了就是沒有加速度的勻速的情況。我們也可以理解成平直的時空。
到了1915年,愛因斯坦把狹義相對論進行推廣,提出了廣義相對論。廣義相對論所研究的問題就是非慣性系下的運動情況。愛因斯坦通過一個等效原理,把加速運動和引力統一了起來。
這時候,他發現,原來引力的本質其實就是時空的彎曲。那這個該如何理解呢?
我們來舉個例子,我們都知道月球繞著地球轉。在牛頓理論中,地球和月球之間存在著萬有引力,彼此吸引,由於月球有一個初速度,所以會繞著地球運動。
但是愛因斯坦認為並不存在所謂的「萬有引力」,而是地球彎曲的周圍的時空,月球遵循著「牛頓第一定律」沿著時空的測地線在運動,補充一句,這裡的測地線就是時空的「直線」,牛頓第一定律告訴我們,所有的物體都會保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。
所以,月球並沒有受到萬有引力的作用,而是在沿著時空的「直線」運動。後來,到了1919年,天文學家愛丁頓通過觀測沙羅日全食證明了愛因斯坦的理論比牛頓的萬有引力定律更加具有普適性,也就是精度更高,誤差更小。(實際上,這當中還有個插曲,不過結果還是愛因斯坦的理論更準確。)
所以,如今科學家的普遍認同是:萬有引力的本質是時空的彎曲。