牛頓萬有引力定律能解釋廣義相對論三大預測嗎？

2020-10-04 萬象經驗

1687年，牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，其中萬有引力定律成功解釋了天體的運動。並且，萬有引力還幫助科學家發現了海王星的存在。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。

引力紅移



光的頻率是光每秒鐘的振動次數，這個概念可以和時間聯繫起來。廣義相對論認為，在太陽表面測得的光的頻率和地球上測得到的是不一樣的。這是由於引力造成不同的時間膨脹，導致在太陽附近的光的頻率比在地球上測得的要大。反過來，我們也可以說光的波長在地球上更長，也就是說光線從太陽傳到地球後發生了引力紅移。

牛頓理論認為，光子是粒子，它自然也會受到引力的影響。當它從太陽傳播到地球時，它需要克服引力做功。由於其速度保持不變，那麼損耗的能量必然發生在光的波長。它跑得離太陽越遠，它的頻率就越小，波長就越大，這就是牛頓理論所解釋的引力紅移。

總結起來就是，廣義相對論把紅移歸因於時空幾何，引力大的地方時空走得慢，就造成紅移；牛頓萬有引力定律把引力紅移歸因於能量的轉換。而且，以目前的實驗精度，我們無法準確區分兩種解釋的對錯。

光線偏折



廣義相對論認為，質量引起了時空的彎曲，而物體在彎曲時空中走的最短的「直線」是測地線。這條測地線在我們這種歐式幾何中看來是條彎曲的線。光也不例外，它也要遵守廣義相對論，因此光線在太陽附近會發生偏折。牛頓理論也預測過光線會在太陽附近發生偏折。按照他的理論，太陽附近的時空仍然是平直的，但是光子由於受到了引力的作用，會像炮彈一樣偏離直線軌道。

用廣義相對論計算出經過太陽的光線偏折角度為1.75角秒，而使用牛頓定律計算出的光線偏折角為0.88角秒。1919年，英國物理學家愛丁頓利用日食測量了光線偏折角，數據值為1.89角秒，符合愛因斯坦的理論。

水星近日點進動



我們知道，水星的軌道並不是完全封閉的，它會在近日點附近發生進動。科學家使用牛頓定律對此作出了解釋，水星近日點進動是由歲差和其它行星的進動引起的，並計算出每世紀進動值為5557角秒。但是，根據天文學的實際測量，每世紀水星近日點的進動值為5600角秒。牛頓理論與實際值之間還有43角秒的差距。

廣義相對論成功彌補了這一差距，成功解釋了水星近日點的進動。但是，許多人說牛頓理論不能解釋這一現象，這是錯誤的。

相關焦點

  • 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。
  • 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。
  • 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
  • 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。
  • 為什麼廣義相對論和牛頓引力之間對彈跳球預測有差異?
    在低速和引力場弱的情況下，牛頓物理學和廣義相對論的預測非常接近，產生的動力學也非常接近，甚至可以說是相同。 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？
  • 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。
  • 愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    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。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。
  • 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?
    愛因斯坦的三項經典引力測試包括：水星在近日點的反常進動（雖然我們已經知道廣義相對論是什麼時候誕生的，但在那個時候世界上還沒有可靠的解釋出現），由像太陽一樣的光源引起的光線彎曲（預測這將是牛頓萬有引力的兩倍價值，它將光子視為小型拋射物，這在1919年被愛丁頓的日食考察所證實），以及光的引力紅移（只有在20世紀50年代愛因斯坦去世後才確認下來）。
  • 萬有引力定律和牛頓運動定律能解釋星球是如何保持平衡的嗎?
    當有人把這個問題提給牛頓的時候，牛頓知道他必須回答，因為當時他是英國皇家學會的會長，也是萬有引力定律和牛頓運動定律的發現者，實際上回答這個問題的困難之處正跟牛頓發現的萬有引力定律有關。難道萬有引力定律對宇宙中的恆星不起作用嗎？
  • 什麼是廣義相對論?通俗易懂,了解牛頓到底錯在哪裡了
    廣義相對論和萬有引力廣義相對論主要論點是質量本身會導致時空彎曲。一個物體的質量越大，它周圍的空間就越扭曲。它的場方程描述了質量與空間曲率和時間膨脹之間的關係。萬有引力定律可以解釋低速情況下大質量或者說任何帶質量物體之間受到的力。它在粗略的測量和觀測當中都是正確的。但是它解釋不了很多問題，比如說兩個天體的高速運動的動力學規律，像是某天體以0.1個光速向另一個天體移動的時候，萬有引力在這裡就會計算失敗。因為我們知道，根據狹義相對論，在高速運動裡，質量會隨速度而增加。
  • 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。
  • 是否存在與牛頓三大定律一致的相對論?
    為了更好理解這個問題，我們需要重新回顧一下牛頓三大定律：牛頓第一定律：這個定律經常被誤認為是第二定律中外力為0的一個特例。而事實上，第一定律是確定慣性系的存在，而慣性系的定義中，一個物體如不受其他物體影響將保持恆定的運動速度。只有在這個框架下，第二定律才能成立。
  • 關於萬有引力和廣義相對論你應該知道的事
    不過也別笑話我，估計你也不一定能看懂。當年廣義相對論發表的時候，人們都震驚了，因為愛因斯坦在他的廣義相對論中可以說是推翻了之前人們廣泛認同的萬有引力的原理，重新闡述了這個世界的基本原理。對於當時全世界那些聰明的大腦來說，想完全理解廣義相對論也是非常困難的。20世紀20年代初，一位新聞界人士問當時的英國天文學家艾丁頓爵士說：他聽說世界上只有三個人懂廣義相對論。
  • 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。
  • 牛頓的萬有引力定律與愛因斯坦的相對論有什麼聯繫和區別？
    萬有引力定律就像一個梯子的下面幾級，比較接地氣，指導了人類幾百年的科學研究和技術發展；而廣義相對論是梯子的上面幾級，站得更高看得更遠。但我們爬梯子必須先踩在下面幾級才能攀爬到上面。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。
  • 牛頓定律能否解釋這個現象
    我們太陽系行星軌道會衰減嗎？牛頓和克卜勒能解釋這個問題嗎？相對論是怎樣解釋的？今天就討論這些問題。讓我們先回到牛頓和克卜勒定律。太陽系作為一個獨立的系統，我們可以把太陽看作是太空中一個固定的不動的點，於是我們就可以追蹤太陽系內所有天體，包括行星、小行星和彗星圍繞太陽的軌道運動。
  • 如果牛頓還活著,他能統一廣義相對論和量子力學嗎?
    牛頓是有史以來數一數二的最偉大物理學家，也是有史以來的三大數學家之一。如果牛頓能夠穿越到今天，以他的興趣愛好及性格特點，他也許仍然會選擇做一名物理學家，不過他在莘莘物理學家中很可能不再出人頭地。最偉大並不意味著他是萬能的，牛頓也有沒有成功解決的問題。
  • 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？
    很明顯伽利略的思想實驗懷疑方向是對的隨著伽利略對運動的理解，以及對哥白尼的《天體運行論》的繼承，結合自己對木星的觀測，開創了以實驗事實為根據並具有嚴密 邏輯體系的近代科學，「天空立法者」克卜勒與伽利略一樣，繼承了哥白尼的《天體運行論》並且發現行星運動三大定律
  • ——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。
  • 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。