什麼是重力?愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?

2020-11-22 天文在線

萬有引力是什麼？

每當在萬有引力研究方面有了新的發現，我們都會以一種全新的眼光來看待周圍的世界。

圖片：高空跳傘。引力是物理學中我們已知的四個力之一，但是我們對引力的理解在不斷地深化。

還有什麼能比引力更令我們熟悉呢？從高處落下一個物體，萬有引力就使它墜向地面。同時我們在課堂上學到引力使月球繞地球運動，也使地球繞太陽運動。

圖解：萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉

引力使我們能夠平穩地站在地面上。它引導著每一個被拋出的籃球的軌跡和每一個宇宙飛船的軌跡。可以說，是萬有引力使宇宙中的萬物聚在一起。

萬有引力是物理學中我們已知的四個力之一。其他的幾個力是：控制著電力、磁力和光的電磁力，以及在原子核內的微小距離上有效的一對核力。似乎可能違背直覺的是，萬有引力是這些力中最弱的一個。一個小小的冰箱貼足以從桌子上吸起一枚回形針，即使整個地球的質量都在向下拖拽這枚回形針。

圖解：引力作用於形成銀河系的恆星。

自艾薩克牛頓從蘋果上發現引力以後，我們對於引力的理解在不斷地完善，並且至今仍是。每當在引力研究方面有了新的發現，我們都能以一種全新的眼光看待周圍的世界。

圖解：被稱為牛頓蘋果樹後代的一顆蘋果樹，發現於劍橋大學的植物種植園。

牛頓卓越的洞察力

1666年，23歲的牛頓從劍橋大學回到位於英國鄉村的家中。多年後他對一位傳記作家說，在一個慵懶的下午，他正在沉思，這時，由於蘋果偶然間墜落，他的思緒轉移到了引力上。牛頓不是第一個注意到蘋果從樹上落下來的人，他偉大的洞察力表現在，他以數學的形式展示了使蘋果落向地面的力一定與使月球按照軌道運轉的力是同一種。

牛頓引力概念的核心——現在被稱為萬有引力定律——即宇宙中每個物體與其他所有物體間都存在吸引力。而且這力量的強弱與它的質量成正比，也就是說，一個物體質量越大，它的引力就越強。

藝術家印象圖，牛頓在伍爾斯索普的果園裡，一個蘋果掉了下來，讓他想到了地心引力。來源：UniversalImagesGroup

引力也隨著物體之間的距離而減弱。正如物理學家所說，力與它們之間距離的平方成反比。那就意味著，如果你把兩個物體之間的距離擴大一倍，它們之間的引力就只有之前的四分之一。

牛頓是這樣描述引力的：每個物體都在吸引著其他所有的東西，不管它們在哪裡，或者相距有多遠。但是重力的一些概念也困擾著他，力是如何跨越真空作用到物體上的？

在紐約的作家理察·帕內克是《引力：揭開我們腳下的秘密》的作者，他說：「對牛頓來說，『在一段距離上產生吸引力』這個說法有些費解。在他生命的最後一段時間，他說，也許有一天我們能發現引力到底是什麼。」

愛因斯坦的革命

引力跨越空間的秘密在200年後被阿爾伯特·愛因斯坦揭開，他的廣義相對論用一種全新的方式描述了引力。牛頓認為引力是一個力，而愛因斯坦把它看做空間本身的彎曲。帕內克說：「牛頓把引力描繪成在空間中發生的一種行為，但愛因斯坦認為這是物質和空間的相互作用。」

1931年1月，阿爾伯特·愛因斯坦在位於洛杉磯城外的威爾遜山天文臺的黑板旁。天文學家用威爾遜山天文臺的望遠鏡發現了宇宙膨脹。圖片來源：紐約時報

誠然，空間的彎曲是不容易描繪的。一種能幫助理解的類比是，想像把保齡球放在橡膠膜上，保齡球就會彎曲橡膠膜的表面。現在想像一個玻璃彈珠沿著橡膠膜的表面滾動，因為膜表面是彎曲的，玻璃彈珠就會沿著彎曲的路徑滾動。從玻璃彈珠來看，它的行為就像是保齡球對它施加了一個引力。

地球的引力場彎曲了時空，就好像沉重的保齡球彎曲了橡膠膜。地球附近的衛星在彎曲的空間中運動，看起來就像是繞著地球轉。圖源：space

愛因斯坦的理論能說明牛頓的引力概念是錯的嗎？並不是，愛因斯坦的理論只是更加精確和詳細。如果你要計算拋出的籃球何時落地，或者計算下一次日食何時發生，用牛頓引力就足夠了。但在極端的情況下，比如在極大質量物體的附近，廣義相對論的公式更加精確。通過廣義相對論，我們可以理解一些奇異的東，比如黑洞和引力波。

圖解：LIGO引力波天文臺位於美國華盛頓，2015年9月首次觀測到引力波。

在大多數情況下，科學家仍然繼續使用牛頓引力，也包括太空人。1968年12月阿波羅8號宇宙飛船從月球返回時，太空人威廉·安德斯打趣說：「我覺得大部分時間是牛頓在開飛船。」

引力的研究前景

愛因斯坦的理論成功地幫助科學家解決了天體物理和宇宙學方面的大量問題，但仍不是一個描述引力的終極理論，因為沒人知道如何把引力與量子力學統一起來，後者是另一個物理學中的偉大理論，用來描述亞原子領域的現象。帕內克說：「問題在於，廣義相對論無法很好地與量子力學結合，引力是四種基本力中唯一一個沒有量子解釋的。」

物理學家希望，未來某個更完全的理論能夠把廣義相對論和量子力學結合起來。如果實現的話，我們又能夠以一種嶄新的方式來看待引力。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. xeno- Dan Falk

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  • 牛頓萬有引力定律能解釋廣義相對論三大預測嗎？
    但是，對於大質量和高速運動的物體，牛頓萬有引力定律不再適用，而愛因斯坦的廣義相對論卻彌補了這一缺憾。其中，最著名的當屬黑洞的存在和水星的近日點進動。這導致許多人認為，牛頓的萬有引力定律和廣義相對論是對立的，當年廣義相對論的三大預測：引力紅移、光線偏折和水星近日點進動，牛頓定律是無法預測的。事實上，廣義相對論包含了牛頓萬有引力定律，而這三大預測用牛頓定律也能得到結果。
  • 廣義相對論能證明萬有引力定律是錯誤的嗎?
    牛頓的萬有引力定律當然是沒有錯的，不然我們現在也就不會學這個理論。只是這個理論不能完全反映深刻的宇宙規律，它有一定的適用範圍。在17世紀，牛頓從克卜勒行星運動三大定律中推導出了萬有引力定律，他認為物體被吸引在地球上以及宇宙中的天體運動都是受到引力的支配。當年海王星的發現就是通過萬有引力定律計算出來的，而且現在的火箭發射也都是利用這個理論，所以這個牛頓的引力理論是非常成功的。不過，萬有引力定律只能適用於弱引力場，而在強引力場中會失效。
  • 廣義相對論一重力與萬有引力闡明
    愛因斯坦在發表狹義相對論之後,開始著手研究另外一個難題一重力。牛頓已經發現了萬有引力定律(跟距離的二次方成反比,跟質量乘積成正比的力),邁出了重力研究上的重要一步。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    只有愛因斯坦既不承認絕對空間的存在，也不承認以太的存在，徹底地堅持了相對性原理。這可能與馬赫對他的影響有關。馬赫只是一個三流的物理學家，但他敢於挑戰權威，說牛頓不對。馬赫認為看不見的東西都不應該輕易承認，所以他否認牛頓的絕對時空觀，也否認以太的存在。馬赫認為一切運動都是相對的。相對論發表後，愛因斯坦高度評價馬赫對自己的影響。
  • 牛頓和愛因斯坦是如何看重力?重力是一種幻覺嗎?
    但是根據愛因斯坦的說法，沒有引力。相反，更恰當的做法是把蘋果想像成靜止的，地面——以及地面上的一切加速向上遇到蘋果。這聽起來感覺很荒謬，但這不是詭辯。這裡有一些實質性的東西，為什麼愛因斯坦採用它，以及它是如何為最終成為廣義相對論的東西埋下種子的。我們需要從物理101和牛頓運動定律開始。要分析運動，需要所謂的參照系。
  • 提出廣義相對論30多年後,愛因斯坦仍在擔憂這件事
    來源：環球科學1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論。作為20世紀最偉大的科學理論之一，廣義相對論經過時間的檢驗，已經成為現代物理學的重要基石。但鮮為人知的是，即使到了20世紀50年代，由於缺乏實驗證據，對廣義相對論感興趣的人也並不多。因此，愛因斯坦試圖將廣義相對論推廣為新的理論。
  • 宇宙學被兩朵「烏雲」籠罩,有可能牛頓定律和廣義相對論都錯了?
    開爾文勳爵所指的兩朵「烏雲」，實際是指當時處於萌芽狀態的量子理論和相對論。一百多年過去了，儘管現在人們在歡呼量子力學和廣義相對論取得了勝利，因為這兩者幾乎能解釋所有我們已知的現象。但是，幾乎所有當代的物理學家內心都明白，現在歡呼勝利還為時過早，因為還有兩朵「烏雲」籠罩在物理學和宇宙學頭上，這兩朵「烏雲」分別是暗物質和暗能量。
  • 引力的本質是什麼？愛因斯坦和牛頓誰更正確？
    「萬有引力定律」，讓關於天體的研究轉移到了力學領域，並且成功解釋了太陽系中天體的運動，讓人類對宇宙有了更加全面和正確的了解，在牛頓提出萬有引力定律之前，人們普遍認為，地球上的定律在宇宙中不適用。因為當時的人們無法解釋天體的運動，比如，月球圍繞地球運動，但是地球上的所有物體都受到重力的影響，為什麼在地球之外的天體不受影響？而在牛頓的萬有引力定律提出後證明，不論是地球上還是宇宙中，人類的定律普遍具有適用性。
  • 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
  • 引力原來不是「力」,牛頓萬有引力定律早已被愛因斯坦相對論推翻
    而這就是數百年前被牛頓總結出的萬有引力定律。並且在牛頓之後的兩百年之中，由於有越來越多天文觀測的結果符合運用萬有引力定律所計算出的結論，而被認為是絕對的真理。而即使有少數不符合定律的，也被當成是計算錯誤或者是有觀測不到的影響因素。
  • 對於引力的理解,牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡?
    《對於引力的理解，牛頓理論和愛因斯坦廣義相對論的區別在哪裡？》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。一切物理問題都是測量問題，就如一切生物問題都是進化問題一樣。萬有引力定律與廣義相對論的區別，就要從測量的角度去講述。
  • 「需要比愛因斯坦更好的理論」布萊恩·考克斯提出廣義相對論挑戰
    相對論的一般理論由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）於一個多世紀前發布，以完善艾薩克·牛頓的萬有引力定律。該模型提供了對重力的統一描述，將其描述為時空或時空的幾何屬性，目前仍被科學家用作現代物理學中對重力的描述。
  • 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。
  • 若UFO真的違背了牛頓定律,那有可能牛頓定律本身就是錯的嗎?
    當然也不會是直升機這種懸浮方式，UFO的懸浮更像是用特殊的原理克服了重力的存在。 在未來的某一天如果人類真的確定發現了智能飛行器，既可以懸浮又可以高速飛行來去自如，那麼真的就打破了了牛頓定律了嗎
  • 為什麼廣義相對論和牛頓引力之間對彈跳球預測有差異?
    為什麼我們不能找到一個混沌系統，即使在低速和弱重力場中，其動力學也能區分廣義相對論和牛頓物理學預測之間的微小差異？ 該論文的作者再清楚不過了：當預測不同時，必須使用一般相對論力學而不是特殊相對論力學（牛頓力學）來正確地研究弱重力系統（低速弱重力系統）的動力學。
  • 物體落地，非因「重力」，廣義相對論另有解釋？
    原問題：廣義相對論如何解釋物體落地的原因?自由落體和最大原時我們對物體落地非常熟悉，但對其原因卻不太了解。我們常會提到「引力」，但那不過是基於牛頓經典物理學觀點而言。此外，還有第二個效應：根據廣義相對論，時間在高海拔地區（離地球更遠的地方）流逝得稍微快些。海拔為零地方過一秒種，在海拔為五米的地方則會多過0.55飛秒。現在，這兩種效應共同使得下落的球速度越來越快。在沒有重力時間膨脹效應的情況下，時空中兩個事件之間最直聯繫就是速度恆定的路徑。因此，正如牛頓第一定律所言，不受力物體會勻速運動。當然，除非時空是彎曲的。