重讀《費曼物理學講義》第七章 萬有引力

2020-12-04 科學有趣

在2015年,愛因斯坦廣義相對論中的引力波被探測到了。費曼在他這章講義的末尾提到了廣義相對論。可是沒有說到關鍵點,兩個物體相互吸引,是靠了引力場來傳播(也許費曼認為還有更深入的機制)。引力場的擾動,如兩個相互旋轉的中子星,會引發了引力波,引力波可以在地球上探測到。

7-1 to 3 行星運動的規律

在這幾節中,費曼對萬有引力公式大加讚賞,認為we should take some time off to stand in awe of a naturethat could follow with such completeness and generality such an elegantly simple principle as the law of gravitation. (我們應該花一些時間來禮讚自然,她會遵循如此完整和普遍的原則,如引力定律這樣一個簡單優雅的法則。)

克卜勒的老師第谷精心測量了多年行星運動的軌道數據,克卜勒比較有數學才能,把這些龐雜的觀測數據總結出了有名的克卜勒三定律(他自稱為「天空的立法者」):

1, 行星以橢圓圍繞太陽運動,太陽位於橢圓的一個焦點上。

2, 從太陽到行星的連線為半徑,在相等的時間間隔掃出相等的區域。(等面積原理)

3, 行星的繞行軌道的半長軸的立方與其周期的平方成比例

克卜勒第二定律可以角動量守恆直接推導出來。在理論力學的課程中,我們可以知道,當一個質點圍繞一個有心力運動時,它的運動軌跡可以是圓,橢圓,或者雙曲線。

克卜勒定律描述了行星的運動,但還沒有涉及到運動背後的原因。牛頓提出了「力」的概念,用牛頓力學公式(尤其是牛頓第二定律和萬有引力公式,解釋了克卜勒行星運動三定律),從而在更深的層次上理解了這個問題。

7-4 牛頓的引力理論

在這一節中,費曼問我們一個有趣的問題,如果地上的物體會下落,那麼天上的月亮是否也會下落?如果是,下落的方式和加速度是符合力學規律的嗎?答案是天上的月亮也在下落(因為其在做圓周運動,相比起直線運動來,可看在不斷的下落。),而且下落的加速度正如牛頓力學定律和萬有引力公式所預言的。

這個思維方式是典型的物理學家的思維方式,追求統一,由地上的蘋果想到天上的月亮。我曾經有一年教大學物理時,給數學系的同學出過同樣的題目,讓他們計算一下月亮「掉下來」和蘋果是一樣的。可惜印象中,好像沒有引起他們很大的興趣。

7-5 萬有引力

在這一節,費曼講述了物理學史上的一個偉大發現。因為天王星的軌道運動不正常,英國人Adams和法國人Le Verrier假設有另外一顆行星,導致了天王星的異常運動。當天文學家把望遠鏡在某時對準天空的某處時,果然發現了那顆行星,海王星。

我記得小時候看過一部俄羅斯的電視劇,講述了俄羅斯科學先驅人物羅蒙諾索夫的故事。他和他的妻子在望遠鏡中一起看到了這個奇蹟。他的妻子說「偉大的上帝」,羅蒙諾索夫說的是「偉大的牛頓」。估計在當時知識分子心目中,牛頓是像神一般的偉大。我知道法國的哲學家伏爾泰對牛頓就是頂禮膜拜。

7-7 引力是什麼?

引力在宇宙中的作用如此之強大,描述它的公式如此之美妙,但是它與原子中的電磁力比起來小到幾乎可以忽略不計,兩個電子之間的萬有引力與它們間的靜電排斥力相比,是4後面接上42個零分之一。它為什麼這麼小?物理學中有沒有與此相似的量級的物理量?不愧是理論物理學家,費曼很快就找到了一個。光穿過質子大小的距離所用的時間(~ 10^8/10^-16)與宇宙的年齡(~ 10^18),量級上相當了。所以,我們可以猜測引力常量與宇宙的年齡有關,它隨時間變化。接著,費曼猜測到如果引力常數隨著時間變弱,意味著在10億年前,生命剛剛起源的時候(佔到宇宙年齡(約100億年)的十分之一),那個時間,萬有引力常數應該比現在大十分之一。那麼,地球的軌道在太陽的大引力的情況下,應該離太陽更近一些。查一查資料,確實是。

但如果是這樣,考慮太陽的構成物質和引力的關係,所以它比現在亮10分之一,地球上將非常炎熱,超過100攝氏度,水會沸騰(意味著將會沒有生命存在),所以,又可以推出萬有引力常量不隨時間變化。

嘿,萬有引力常量到底隨不隨時間變化?我想自會有這方面的專家進行精確的研究。可你看費曼,幾乎沒用什麼複雜的工具,就一會猜引力常數變化,一會又沒變,不瘋魔,不成活!

也許費曼過於自信,他認為物理學家已經給出了牛頓第二定律和萬有引力公式,那麼其它的都是細節,牛的數學家可以計算出一切想要的結果來。可殊不知,魔鬼就在細節中(The Demon is in the details)。這個力學框架可以很好的解決單個物體在力場中的運動,或著兩個物體的運動,但是一旦上升到三個物體,問題就很不好解決了。這絕非數學家能力的問題,20世界最偉大的數學家之一龐加萊,曾經試圖解決三個物體互相作用運動的問題。據說,他已經清楚的看到這類問題極度依賴於系統的初始條件。而系統對初始條件的敏感性正是餛飩系統的特徵,這是20世紀60年代後,蓬勃發展起來的一個新學科。聰明如費曼也沒有料到的。

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