如果牛頓被旋轉的蘋果砸中,愛因斯坦承認他會有更好的引力理論

2020-12-05 萬象經驗

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在牛頓的傳記中有這樣一個廣為人知的故事:牛頓被蘋果砸中腦袋後就發現了萬有引力定律。那麼如果這顆蘋果是旋轉的,會有怎樣更精彩的故事呢?愛因斯坦承認,牛頓將會發現更先進的引力理論。那麼物質的旋轉與引力場有什麼樣的相互作用?

讓我們以自由落體為例來闡述並回答這個問題。在真空室中考慮兩個自由下落的球體,其中一個球體繞其球心高速旋轉,另一個則沒有旋轉;高速旋轉的球體在自由下中與地球引力場的相互作用可能會產生三種不同的物理效應。

第一種是轉動物體在引力場的運動過程中可能會受到一個力矩的作用,因而使得其自旋方向發生變化(進動)。廣義相對論預言了這種效應:一個自轉方向指向遠方天體的在地球極軌道運行的陀螺,其自轉方向相對於遠方天體方向將發生兩種互相垂直的進動(一個是測地效應,另一個是坐標系拖拽效應)。為了檢驗這類效應,美國科學家經歷了40年的技術研究工作而於2004年4月20日將一顆衛星成功發射升空,並證實了該結論。

第二種可能的效應是轉動物體的自轉速率會在運動過程中發生變化,例如地球在繞太陽作軌道運動的過程中,地球自轉的速率可能會因太陽引力場的作用而發生周期性的變化。如何利用理論計算這種可能的效應是一個不容易但需要進行研究的問題。

還有一種可能的效應是,由於轉動物體的自旋與引力場的耦合而產生微小的作用於質心上的附加作用力,這使得一個轉動物體的自由落體與一個無轉動物體的自由下落會有所不同。如果借用通常的等效原理這個詞,這就是說,物體的轉動與引力場的相互作用破壞了等效原理。

廣義相對論在處理物質轉動的現象方面有不足。因為有轉動的物質像有自旋的粒子一樣,其能量-動量張量不再是對稱的,而且描寫轉動物體的物理量除了能量-動量張量外還應當有自旋張量。但是在廣義相對論中,作為引力場源只是能-動張量的對稱部分,而反對稱部分以及自旋張量對引力場的產生沒有貢獻。

解決這個問題的一種理論是除了度規場之外還要引入撓率場,這類理論最早出現的就是愛因斯坦-卡丹理論,但是其中的撓率場不是動力學場。後來發展起來的引力規範理論,撓成了動力學場。在這類理論中,引力場有兩個:標架場和撓率場。描寫轉動物質的物理量也有兩個:能-動張量和自旋張量。標架場的源是能-動張量;而撓率場的源是自旋張量。

雖然理論上的這種效應是明顯的,但是,要想利用引力規範理論做具體的計算,就必須對流體的能-動張量密度進行積分,積分的區域應當遍及實驗設計中所用陀螺的球體或柱體。但是這真的很難!

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    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。
  • 引力理論發展簡史:從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的時空彎曲
    哥白尼發現,如果所有的天體繞地球旋轉,那麼星體的運動軌跡就複雜無比。倘若星球繞太陽旋轉,那麼事情就簡單得多。本著「如了無必要,勿增實體」的哲學理念,中年時期的哥白尼提出了日心說。但擔心遭到教會的迫害,就辯稱自己的理論不違背《聖經》 。儘管認慫了,他依舊憂心忡忡,畢竟在那個年代,敢質疑教會的人只會遭到火刑的懲罰。
  • 解讀引力理論發展史:從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的時空彎曲
    我們都知道有質量的物體會相互吸引,這是引力的精髓思想。但要是僅知道這點東西,那麼你對引力的認識還很膚淺。在牛頓功成名就之後,他曾說過這樣的名言,「如果說我比別人看得更遠些,那是因為我站在巨人的肩膀上」。誠然如此,在牛頓之先,前人已經探索了萬物的運動規律。不管是古代東方還是西方,都有類似天圓地方的自然理念。
  • 牛頓和愛因斯坦是怎麼看引力的?
    幾百年來的觀察已經證明了物體之間普遍存在著引力。在1687年,艾薩克牛頓使用他的萬有引力定律量化了這一現象,並將其表述為:在宇宙之中,每一個物體都吸引著其他所有物體,並且任何兩個物體之間的作用力與他們質量的乘積成正比,和他們之間距離的平方成反比。
  • 牛頓如果沒有被蘋果砸中腦袋,他能否發現萬有引力?能,一定能
    牛頓這位科學大牛相信大家都不會陌生,畢竟大家都是讀過小學的人!牛頓這位大牛到底有多牛呢?只要是關於科學類的榜單,牛頓必然會出現在榜單的前五!並且沒有人會不服!蘋果原本只是普通的蘋果,但在「牛頓的故事」裡,蘋果卻是「上帝」丟下來的蘋果!小學課本裡一直在說,牛頓在蘋果樹下乘涼,結果一顆蘋果砸中了他的頭!我們被砸腦袋,大概就是摸著腦袋上的疙瘩心裡喊著:WC,疼疼疼……!
  • 如果牛頓沒有被蘋果砸中腦袋,他能否發現萬有引力?能,一定能
    牛頓這位科學大牛相信大家都不會陌生,畢竟大家都是讀過小學的人! 牛頓這位大牛到底有多牛呢? 只要是關於科學類的榜單,牛頓必然會出現在榜單的前五!並且沒有人會不服!
  • 牛頓引力理論並非來自「蘋果」,而是和他的鍊金術頗有關係
    牛頓的蘋果故事想必大家十分的清楚,可以說是一件科學界的佳話。說的是牛頓本人在1665年到1666年,這一年半的時間內在家裡躲避鼠疫;某天牛頓在自己家後院的一顆蘋果樹下思考問題,被落下的一顆落下的蘋果砸中了頭部,突然靈光一閃,蘋果為啥不往上跑、不斜著走,非要落向地球中心方向呢?於是就有了萬有引力。
  • 牛頓引力理論並非來自「蘋果」,而是和他的鍊金術頗有關係
    牛頓的蘋果故事想必大家十分的清楚,可以說是一件科學界的佳話。說的是牛頓本人在1665年到1666年,這一年半的時間內在家裡躲避鼠疫;某天牛頓在自己家後院的一顆蘋果樹下思考問題,被落下的一顆落下的蘋果砸中了頭部,突然靈光一閃,蘋果為啥不往上跑、不斜著走,非要落向地球中心方向呢?於是就有了萬有引力。
  • 牛頓被蘋果砸的故事到底是真是假?
    例如《那些誤導我們的教科書故事——牛頓根本沒被蘋果砸》這樣說:「關於牛頓和他的蘋果是伏爾泰編的,據說他是聽牛頓的侄女說的,當然牛頓的所有手稿中沒提到那個蘋果。」牛頓蘋果的故事難道是虛構的嗎?在小學教科書和少兒讀物中描述的這個故事,雖然有演繹的成分(比如蘋果砸到了牛頓的頭),但基本內容來自歷史文獻。牛頓雖然並未在他的論著中提到蘋果的故事,不過人們在正式的科學著作中一般也不會講述自己的科研靈感來源,因此這本身不足為奇。牛頓蘋果的故事是一些熟悉他的人聽晚年的牛頓講述的。
  • 一顆蘋果真能砸出引力理論嗎?萬有引力理論就是這樣誕生的
    九月楊柳依依,樹葉隨風擺動,整日坐在辦公室的心情,迷茫著,不知道還要坐多久,牛頓的蘋果故事想必大家十分的清楚,儘可能多的去學習到別人身上的優點,補充到自己的頭腦,有條不紊、思路清晰的做好相關的事情,過自己想要的生活。加油吧!
  • 如果牛頓沒有坐在蘋果樹下被蘋果砸中,還會發現萬有引嗎?
    牛頓真的是因為坐在蘋果樹下,被蘋果砸中後發現的萬有引力?莫要被這種故事所調侃,這個故事本身就不是真的,從歷史記載資料來看,牛頓確實受到了蘋果落地的啟發,但如果說「牛頓發現萬有引力是因為他被蘋果砸中了」就太誇大其詞了!事實上,牛頓與蘋果落地的故事並不重要,因為單純地看到蘋果落地是不可能發現萬有引力的。
  • 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。
  • 愛因斯坦是如何解決牛頓疑問的?
    牛頓不得不離開劍橋,回到了鄉下 ,然而鄉下的日子也是很充實的——他的果園成了他思考數學、物理問題的場所。這註定是不平凡的一天,當牛頓坐在蘋果樹下思考時,一個蘋果砸到了他的頭上。於是一個廣為人知的問題在牛頓腦海中出現了,蘋果為什麼會往地下掉?答案也是眾人皆知,這是因為有萬有引力!仿佛一個砸在地上的蘋果,引導牛頓超前、獨立地思考出了萬有引力理論。
  • 愛因斯坦是如何解決牛頓疑問的?
    這註定是不平凡的一天,當牛頓坐在蘋果樹下思考時,一個蘋果砸到了他的頭上。於是一個廣為人知的問題在牛頓腦海中出現了,蘋果為什麼會往地下掉?答案也是眾人皆知,這是因為有萬有引力!仿佛一個砸在地上的蘋果,引導牛頓超前、獨立地思考出了萬有引力理論。 事實真的是這樣嗎? 不是的。
  • 牛頓萬有引力定律與愛因斯坦時空彎曲理論有什麼聯繫和區別?
    因此牛頓的萬有引力為愛因斯坦的高層梯子奠定了基礎,沒有這個基礎,愛因斯坦的上層梯級就成了空中樓閣,虛無縹緲。傳說牛頓發現萬有引力是樹上的蘋果砸到頭上砸出來的,這當然是閒扯,但現在愛因斯坦發現了梯子的上面幾級,就能夠爬到樹上把蘋果摘下來,解剖蘋果發現了更深層次的秘密。
  • 被蘋果砸出來的萬有引力定律?胡克才是牛頓的真命天子!
    今天兒子放學回家,跟我說他們物理課上,老師講述了一個「牛頓被蘋果砸中,意外打通任督二脈,從而發現萬有引力,一舉轟動科學界」的故事。「爸爸,牛頓真的只是被蘋果砸了一下就發現萬有引力的嗎?」牛頓說,這個力的大小與物體運動速度的平方成正比,與物體運動圓周的半徑成反比。那麼怎麼證明這個結論呢?1969年,牛頓有一份手稿被發現,上面就繪製了一份草圖:一個物體從A處水平向由運動,如果不受力的話,應該會延AB方向一直運動下去,但實際在地球上,物體會延AC方向運動。為什麼會如此呢?這就說明有一個力將物體從B處拉到了C處。
  • 愛因斯坦解釋牛頓引力疑惑,宇宙空間的凹陷,造成月球繞地球跑圈
    我們最開始認識物理世界的例子就是「砸到牛頓的蘋果」,由「引力」進入學習物理知識,從簡簡單單的「蘋果落地」可以推論到火箭升空的計算。然而,讓牛頓也十分困惑的問題是:引力從何而來?為了解開地球引力和宇宙其他天體的引力來源之謎,科學家愛因斯坦為此做出卓越貢獻。
  • 引力是由宇宙中信息的重新分配而產生?新理論拋棄牛頓和愛因斯坦
    2009年的夏天,理論物理學家埃裡克·弗林德(Erik Verlinde)靈光一閃,產生了一個關於引力和宇宙是信息海洋的全新觀點。現今斯賓諾莎獎得主Erik Verlinde說:他能理解很多人要理解他十年前提出的觀點有困難。
  • 那個蘋果並未砸中牛頓
    他的故鄉伍爾索普的莊園裡有片蘋果園,從牛頓臥室的窗戶就能看到搖曳的枝葉。     但是,接下來的場景並不是一個蘋果不偏不倚地砸在牛頓頭上,由此讓這位科學家靈感一閃地發現了「萬有引力定律」。     根據英國皇家學會最新在網絡上公布的史料,這段科學史上的佳話可能只是傳說。一份寫於1752年的手稿表明,「的確有個蘋果存在」,只是沒有砸中牛頓而已。
  • 蘋果砸中牛頓的故事是真的嗎?
    書中記載:「午餐後,天氣很暖和,我們走進花園,在蘋果樹的陰涼下品茶聊天。當時只有牛頓和我兩個人。他告訴我,他以前也經歷過這樣的場景。那時候他也是坐在蘋果樹下,陷入了深深的思緒中。此前,他就對重力問題有了模糊的認識,這時候,一個蘋果掉在地上,打斷了他的思緒。」確實有蘋果,但並沒有砸到牛頓的頭上。那麼蘋果與萬有引力定律的發現有沒有關係呢?