從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?

2020-12-03 科學信仰

恆星系、星系、星系團,宇宙間大大小小的系統都處於一種極度穩定的狀態下有序運行,而這種極度有序的運行狀態源於宇宙間存在的一種基本力,引力。

有趣的是,這種能夠主導宇宙系統運行的力竟然是因為一個蘋果而被人類所發現的。從那個蘋果砸中牛頓的一刻開始,牛頓忽然意識到是重力在導致蘋果下墜,而且不僅是大地,任何一個有質量的物體都具有引力,所以任何兩個物體都會相互吸引,這就是萬有引力。以牛頓的理論作為基礎,經過了上百年的研究和測量,人類最終找到了萬有引力常數G,於是我們擁有了萬有引力公式。

萬有引力公式為F=(Gxm1xm2)/r,在這個公式裡,m為物體的質量,而r則為物體間的距離。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。起初,人們使用萬有引力公式去計算地月以及地日之間的引力關係,都得到了準確的結果。可當遭遇更為複雜的問題時,萬有引力公式則給人們帶來了困惑。

隨著天文學的發展,人類能夠觀測到更為遙遠的星空,當人們企圖用萬有引力公式去計算位於超大質量天體附近的星體運行軌道時,發現得出的結果與實際觀測結果相距太遠。

幸運的是此時我們已經有了一個更為接近真理的理論,廣義相對論。廣義相對論是由愛因斯坦所提出的,以廣義相對論的觀點來看,引力更像是一種幾何效應,而非一種力,引力可以被看作是一種時空的曲率。廣義相對論認為,有引力的物體都擁有能量,而能量會導致時空發生彎曲,所謂的時空彎曲又可以分為時間彎曲和空間彎曲。

時間彎曲是指有質量的物體隨著運動速度的提升會產生慣性質量,進而導致引力的增加以及能量的放大,而能量會導致時間發生彎曲,所以運動速度越快的物體,其時間就越慢。

你可以利用一個高速運動的放射性衰變時鐘來證實時間的彎曲,這就是物理學上著名的鐘慢效應。而空間的彎曲則是大質量星體周圍的空間因為強大的引力而出現彎曲,從而會導致經過這一空間的光線出現方向性的改變,如遙遠恆星的光芒在經過太陽附近時會改變方向,使得我們看到的恆星位置與其本來的位置出現極大的偏差,這就是天文觀測中經常見到的引力透鏡效應。

廣義相對論描述了引力的本質,兩個物體間的相互吸引力是由於兩個物體所產生的時空彎曲效應所引起的。

萬有引力公式無法計算出的星體運動軌跡,通過愛因斯坦的重力場方程都可以得到精準的答案。

其實,廣義相對論並不是對萬有引力的顛覆,而應該稱其為一種發展。

萬有引力認為引力源於質量,廣義相對論也是如此,只不過又在其中加入了能量與時空曲率,於是時間的概念被加入了進來。根據萬有引力,引力的作用是瞬間發生的,而廣義相對論推導出引力場具有速度,其速度與光速相等,也就是說引力若想發揮作用,是需要時間的。比如光從地球到月球需要1.28秒,萬有引力理論認為如果地球消失,失去引力牽扯的月球會瞬間脫軌,而廣義相對論認為,月球會正常運行1.28秒之後,才會脫離軌道。

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    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?
  • 引力是如何產生的?——從萬有引力理論到廣義相對論
    萬有引力在幾個世紀以前,牛頓首先發現了萬有引力,他認為引力是普遍存在的,在天上所有的天體之間都存在,並且也正是引力維繫了天體的運行,牛頓甚至給出了萬有引力的計算公式,然而他卻沒有給出引力是如何產生這個根本性的問題的答案。
  • 同樣是解釋「引力現象」,萬有引力定律和廣義相對論有什麼區別?
    萬有引力 說起萬有引力,我們知道,這是由牛頓提出來的。牛頓認為,萬物都有彼此吸引的力,也就是萬有引力。而且這個引力和物質的質量成正比,和物質間距的平方成反比。這也是我們高中的時候學習的內容。
  • 關於萬有引力和廣義相對論你應該知道的事
    從1916年愛因斯坦的預言,到2016年2月首次確定探測到引力波信號,人類為了這最後1秒的相遇,苦苦探尋百年。   為什麼愛因斯坦會有引力波的預言呢?關於引力波中的引力與萬有引力中的引力又有什麼關係呢?讓我們從頭說起。   廣義相對論對萬有引力幹了什麼?
  • 廣義相對論與萬有引力有著什麼樣的關係和聯繫?
    萬有引力是自然界四大基本作用力之一,而廣義相對論是對萬有引力的全新詮釋,並彌補了牛頓力學萬有引力定律的不足。四大基本作用力分別是:強相互作用、弱相互作用、電磁力和萬有引力。其中萬有引力最先被人類認識,首次提出並構建萬有引力引力體系的,正是大名鼎鼎的艾薩克·牛頓,牛頓在1687年出版了他的著作《自然哲學的數學原理》,該書奠定了近代科學的基礎。牛頓認為,引力是一切有質量物質的基本屬性,無論兩個物體相距多遠,本質上它們之間都存在相互吸引的作用力,這種力和兩者質量的乘積成正比,與兩者距離的平方成反比。
  • 萬有引力到底出了什麼問題?為什麼廣義相對論表現得更好?
    因此,一個物體可以通過真空在一定的距離處作用於另一個物體,它們的作用和力可以傳遞到另一個物體,且不需要其他任何事物的介入。這對我來說是如此的荒謬,以至於我相信沒有一個在哲學問題上具有思維能力的人會對它陷入思考。
  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼理論?
    簡單來說,愛因斯坦在一百多年前創立的廣義相對論是一種引力理論,描述宇宙中天體的引力作用。關於引力理論,我們最早接觸到的是牛頓在17世紀提出的萬有引力定律。那麼,愛因斯坦的引力理論與牛頓的有什麼區別呢?在牛頓看來,宇宙中任何有質量的物體之間都會存在引力作用。大到天體,小到細菌,引力作用始終存在。無論距離多遠,都會存在引力,並且這種作用是瞬間產生的超距作用。根據萬有引力定律,物體之間的引力正比於物體質量之積,反比於物體之間的距離。牛頓的萬有引力定律非常成功,它解釋了為什麼蘋果會落地,為什麼地球會繞著太陽旋轉,甚至還能預言此前尚未發現的海王星的存在。
  • 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。
  • 為什麼說廣義相對論肯定不是終極引力理論?
    根據牛頓引力理論,控制天體運動的力和讓蘋果掉到地上的力都是引力。引力無處不在,只要物體有質量,它們之間就會產生引力作用。 牛頓引力理論的缺陷 雖然萬有引力定律在很多時候非常有效,它甚至還準確預言了海王星的存在,但卻無法完美解釋一種天文現象——水星軌道近日點的反常進動。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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?
    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。
  • 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?
    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。
  • 從牛頓引力到廣義相對論再到M理論,到底是時空彎曲還是閉弦交換?
    萬有引力的現象這一切,都為牛頓發現萬有引力定律打下了堅實的基礎, 牛頓在1687年發表的《 自然定律》這篇論文中,對萬有引力以及三大運動定律做了完整的描述,這是對從伽利略時代開始對引力的懵懂到牛頓時代的清晰表述。
  • 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。
  • 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。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    今年是廣義相對論創建100 周年,也是狹義相對論創建110 周年。廣義相對論是「關於時間、空間和引力的理論」。這一理論可以看作是狹義相對論的推廣,也可以看作是萬有引力定律的發展。它認為萬有引力不是一般意義上的力,而是一種幾何效應,是時空彎曲的表。
  • 對引力的認知是如何進化的?什麼才是真正的引力
    萬有引力是由牛頓所提出的,我們不去爭辯牛頓是如何發現萬有引力定律的,我們也不去猜測牛頓是不是真的在那個午後被樹上掉下來的蘋果所砸中,我們只需要知道有一點是事實,那就是牛頓通過公式驗證了導致蘋果下落的引力和天體公轉的引力是同一回事,也正是從這一刻開始,萬有引力誕生了。牛頓的萬有引力公式不僅可以應用於日常生活,也足以應付現代航天工程的需要,但其卻並非引力的本質。