萬有引力的本質到底是什麼?

2020-11-22 星辰大海路上的種花家

對引力的認識是從重物墜地開始的,一個人從高處掉下摔死,即使古人不知道萬有引力,他們也不會感到奇怪,因為這是日常世界的一個性質!因此古希臘偉大的哲學家亞里斯多德總結了兩種運動:一種是天然運動,另一種是被迫運動。輕的東西有「輕性」,如氣和火,天然向上走,重的東西有「重性」,天然向下走。被迫運動依賴外力,一旦消失,運動停止!

從亞里斯多德的結論中可以推導出一個概念,即輕的東西下落慢,重的東西下落快!儘管將近1500年的時間裡也有人懷疑這個觀點,但卻一直到伽利略才真正提出質疑,比如紙團下落慢,鐵球下落快,那麼將它們綁在一起,不就是一個折中的速度嗎?儘管伽利略提出了這個尖銳的觀點,但卻因為現實條件原因未能付諸實施。

傳說中的比薩斜塔試驗

儘管伽利略未能徹底解決這個問題,但與伽利略同時代的克卜勒卻為這個問題打開了一道通向光明的大門。克卜勒的老師第谷是一個偉大的天文觀測家,為什麼稱他觀測家呢?因為他並不相信哥白尼創立的日心說,但他十分尊重他的觀測記錄,在他去世後,克卜勒依靠第谷的觀測記錄,完成了相當偉大的發現。

第谷·布拉赫

克卜勒通過對第谷觀測火星的記錄發現,火星圍繞太陽(克卜勒支持日心說)的軌道並不是一個正圓,他嘗試了很多中方式來描述火星的軌道都失敗後,偶然間使用了橢圓並且準確套用到了火星的軌道上,其實也是克卜勒運氣好,當時發現的幾顆行星中,火星軌道的偏心率是最高的:

水星: 0.2056 金星: 0.0068

地球: 0.0167 火星: 0.0934

木星: 0.0483 土星: 0.0560

當然水星是最高的,但水星實在難以觀測,因此這火星就成了第谷記錄數據最多的行星,開普從火星為突破口,發現行星運行軌道的規律,總結出了行星運動三大定律,當然到現在為止,還與萬有引力沒有任何關係,但這成了牛頓突破萬有引力定律重要支點!

一直有一個牛頓和蘋果的故事,但大家都認為這是杜撰的,但事實上這蘋果下落的原因和天上行星的運動確實有著不可分割的關係,哥白尼的日心說和克卜勒的行星三大定律,為牛頓開創輝煌的萬有引力時代打下了堅實的基礎,牛頓認為他站在了巨人的肩膀上,這個形容沒有錯,他非常敬畏大自然,但卻不屑於同僚探討。

牛頓

1687年牛頓發表了《自然科學的哲學原理》,對萬有引力和三大運動定律進行了描述,將克卜勒的行星三大定律和萬有引力論做了統一的論證,當然這只是剛剛開始而已,因為在此以後牛頓力學將會成為17世紀後300年內的科學發展的指導,其中最閃亮的一點就是發現海王星。

赫歇爾兄妹觀測星空

自1781年赫歇爾發現天王星以來,天文學家發現觀測到的天王星軌道和計算的不一致,因此一直就懷疑天王星軌道外側還存在一顆行星,因為它的攝動才導致天文星軌道計算與實際觀測的差異。1846年柏林天文臺根據當時名不見經傳的法國數學教師勒維耶的計算數據,不到1小時就觀測到了天王星,距離勒維耶的計算位置不超過1°。

勒維耶

自1687年牛頓萬有引力和三大運動定律發表以來,經過數代科學家的完善以及新理論的開創,經典力學時代在十九世紀末達到了鼎盛。拉普拉斯稱如果知道每一顆粒子的狀態,他將可以預測未來!甚至開爾文勳爵這樣形容完美的物理學:「未來的物理學只能在小數點後七位顯示存在」!

開爾文勳爵:威廉·湯姆遜

但一朵巨大的烏雲正籠罩在物理學上空,首先發難的就是水星進動問題:1859 年,法國天文學家勒維耶根據水星150年的觀測資料,發現了水星軌道的長軸存在一定的擺動現象,在排除了所有行星攝動影響後,仍然存在一個難以解釋的誤差,勒維耶認為水星軌道內測存在一顆行星,它應該距離太陽非常近!但經過多年觀測這顆行星並不存在!

另一個則是看起來和引力沒啥關係的麥可遜·莫雷實驗零結果,本來是驗證以太的實驗,結果卻證明了以太似乎並不存在,但其實這和引力關係相當大,因為牛頓發現了萬有引力後順手就盜取了以太的概念,將其作為引力的傳遞者,結果1887年的莫雷實驗零結果,證明了以太不存在,儘管結果仍待驗證,但這個結果實在太過震撼,以至於動到了物理學的根基!

洛侖茲急著推出了洛侖茲變換來解釋以太漂移實驗的零結果,他的洛倫茲變換成功的解釋了零結果,但他卻死守以太概念以至於錯過了一個偉大的發現,而龐加萊則以光速同步本地時來解釋同時性的相對性概念,同樣也走到了偉大發現的邊緣!但歷史沒有如果,註定要讓愛因斯坦來摘取這果實,因為勝利終是屬於具有果斷以及開創性的那一類人!

愛因斯坦剛好具有這兩個特質,狹義相對論在1905年發表了,直接拋棄了以太的概念,推出了光速不變以及相對性原理兩個前提,總結出了狹義相對論,但別開心得太早,因為這中間仍然有一個非常重要的概念沒有解決,引力到底是依靠什麼傳遞的?

這還得等待十年,從狹義相對論發表以後,愛因斯坦就開始了如何將狹義(勻速直線運動)推廣到任何運動下都適用的理論,而這十年中有部分時間是愛因斯坦在補黎曼幾何的課,因為未來將要誕生的廣義相對論描述的是光怪陸離的宇宙時空,1915年愛因斯坦完成了廣義相對論,但他到了1916年才發表,這是一個顛覆牛頓力學的理論,以至於科學界對待廣義相對論猶如天書,但這並不影響廣義相對論猶如野草一般生長,首先下手的就是一直懸而未決的水星進動問題。

廣相描述的宇宙時空

廣相認為大質量天體會扭曲周圍的時空,而水星的軌道偏心率高達0.2056,是八大行星中偏心率最高的,因而水星在經過遠日點和近日點時時空彎曲度差異很大,因此用萬有引力平直時空計算的軌道誤差值,減去攝動後仍然有一個無法解釋的進動角度。這當然也歸功與將近150年水星軌道的觀測數據,但也要感謝勒維耶精確計算以及不忽略誤差的精神。第一個開刀的水星進動被完美解決,廣相威力開始顯現!

誇張的水星進動軌道

此後1919年愛丁頓對日食的觀測驗證了引力彎曲光線的理論,其實從質能方程也能推算出引力能彎曲光子,因為光子具有能量,但值卻只有廣相計算的一半,而太陽引力彎曲光線的角度比較偏向廣相的計算值,這其實也是愛因斯坦運氣比較好,因為1919年的日食時太陽擋住的是畢宿星團的亮星,方便愛丁頓的觀測驗證。

1922年蘇聯數學家利用廣相引力場公式,假設宇宙物質分布是均勻的,計算出了宇宙的形狀,而他發現宇宙在絕大部分情況下都是膨脹的,勒梅特在1928年取得了相同的結果,1929年哈勃觀測到遙遠的星系正在加速原理,驗證了弗裡德曼和勒梅特的計算結果。這表明宇宙在很早期時曾經處在一個很小的範圍內,後來它將發展成宇宙大爆炸說。

伽莫夫在二戰後為完善大爆炸理論,提出了太初合成理論,他的同事則根據大爆炸推測出宇宙中存在大爆炸餘暉的輻射,也就是預言了宇宙微波背景輻射的存在,這後來在1964年被驗證,太初合成理論中的原初物質豐度也在後期的射電觀測中被一一證實!

其實關於引力的本質到這裡就可以結束了,因為廣相已經完美的解釋了引力就是質量彎曲時空,而後期的多項預測與後期的觀測也完美貼合,當然2015年底觀測到引力波是錦上添花。但這遠未結束,因為廣相和量子力學在黑洞奇點上出現了嚴重的衝突,也難以在大一統理論上更進一步,因此弦理論試圖在引力的本質上做出解釋。

弦理論認為組成世界的有兩種弦,開弦和閉弦,開弦的橫向振動產生光子,質量則通過弦通過振動會具有「振動能量」產生,根據質能方程,能量將和質量等價!而引力則通過在「開弦」之間,通過交換「閉弦」傳遞引力,也可以在「閉弦」之間,通過交換「閉弦」傳遞引力。但楊振寧對弦理論似乎有些不太感冒,因為楊振寧認為實驗+理論的物理才美,而建立在純理論上的弦理論猶如沒有根基的大廈,一點都不美!

剛剛廣相搞明白了引力是質量彎曲時空,又被弦理論搞糊塗了,引力到底是什麼,也許我們未來還有很長的路要走!

相關焦點

  • 萬有引力的本質到底是什麼?引力子還是時空彎曲?
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。
  • 萬有引力的本質到底是什麼?引力子還是時空彎曲?
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。而這個更大的奧秘(引力的本質)留給了幾百年後的科學家,他就是偉大的愛因斯坦。
  • 萬有引力的本質是什麼?
    萬有引力的本質是什麼?這個問題,其實按照目前的理論來看,是廣義相對論對於引力本質的詮釋。結論:引力的本質是時空的扭曲,而時空其實是時間和空間,空間指我們生存的三維空間。關於「引力的本質「這個問題,我們可以從人類探尋引力的歷史說起。
  • 萬物之間都有引力,萬有引力的本質到底是什麼?
    按照愛因斯坦廣義相對論的詮釋,引力的本質就是時空彎曲。在上世紀初期,愛因斯坦通過廣義相對論給出了引力的本質,並描述了時空,物質與運動之間的關係,這就是著名的愛因斯坦引力場方程:
  • 萬有引力的來源和本質到底是什麼?
    物理學家從未停止過對於引力本質的研究。眾所周知,關於引力的第一套理論是牛頓提出來的平方反比理論。在牛頓的引力理論中引力的公式跟靜電場的庫倫力公式是非常相似的。因此,在牛頓的引力理論中,我們可以類比電磁場,將牛頓引力公式中的m(也就是質量)當作是引力的「荷」,就像我們把庫侖力公式中的Q當作電荷一樣。這也就是牛頓對引力來源的解釋,同時該公式也給出了「引力質量」的定義。
  • 萬有引力的本質是時空彎曲嗎?
    愛因斯坦的時空彎曲論,反映的仍是現象,並非本質。何為本質?牛頓與愛因斯坦都未涉及。萬有引力存在的意義是什麼,才涉及萬有引力的本質,這是哲學回答的為什麼,而不是科學要回答的只能如此,並有數理分析,計算公式輔助論證。
  • 一口氣搞懂「萬有引力的本質」
    而關於引力本質的詮釋則是廣義相對論。今天,我們就來聊一聊:引力的本質。 萬有引力 其實早在牛頓之前,人們就發現了萬物都會往地面上落的現象。為此,古希臘的哲學家亞里斯多德就提出了一套邏輯自洽的理論,但是這只是在哲學層面上的一些探討,並沒有非常嚴格的推導。
  • 無比強大,卻又無比弱小的引力,它的本質到底是什麼?
    這是一件很有趣的事情,引力這種無比強大又無比弱小的力到底是什麼呢?它的本質是什麼呢?最初給引力一個準確定義的人就是牛頓,它的萬有引力定律第一次讓人類如此接近了引力的真相。,都足夠精確,但其並不是引力的本質,它只是對於引力在地球宏觀低速環境下的一種特例的描述。
  • 無比強大,卻又無比弱小的引力,它的本質到底是什麼?
    這是一件很有趣的事情,引力這種無比強大又無比弱小的力到底是什麼呢?它的本質是什麼呢?最初給引力一個準確定義的人就是牛頓,它的萬有引力定律第一次讓人類如此接近了引力的真相。牛頓認為任何物體都具有一個相互吸引的力,而這個力是一種超距作用,也就是說引力是瞬時發生的,它不需要時間來進行傳導。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    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。
  • 從萬有引力到廣義相對論,什麼才是引力的真面目?
    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。
  • 萬有引力的傳播速度是多少?
    萬有引力到底是什麼?其實我們在討論一個問題時,我們首先要對這個對象進行一個準確的定義。如果我們要搞清楚萬有引力的速度是多少?實際上就得先搞清楚萬有引力到底是什麼?我們可以先給出一個結論,事實上並不存在所謂的「萬有引力」,萬有引力是一個理論,用來描述「物體之間彼此吸引」的現象。
  • 萬有引力來源是什麼?來源於物質的質量嗎?
    一物體由於其自身內磁層旋轉自由導致,其外磁層與其它物體的內或外磁層構成相互吸引,就是萬有引力的發源。當,吸引距離至雙方磁層交界處,由於四磁層無法通過調整方向同時滿足各方繼續收縮條件,產生排斥異己的力,因此物質擁有彈性體積。萬有引力實際上就是磁場力。它是有邊界範圍的。它與物質體的體積排斥異己力都是來自於構成物質體本身的能量對空間的拉伸。
  • 引力的本質是什麼?牛頓和愛因斯坦誰的理論更準確?
    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。
  • 我對萬有引力的本質的全面理解
    無法統一,其實關鍵卡住人類的是引力子和引力相互作用與其它基本力的統一問題,其實我們宇宙大爆炸的奇點就是引力子,量子力學告訴我們的世界是由波構成的,其實不對,我們是由高維生物利用二象性切割五維空間的一個引力子的波構成的,被切割的波要回去,我們都是由引力子的波構成的,所以這就是牛頓說的萬有引力
  • 萬有引力的本質,以及宇宙萬物的形成過程
    牛頓的萬有引力公式F=Gm1m2/r^2,即兩個物體之間的引力和它們的重量的乘積成正比,和它們距離的平方成反比。愛因斯坦解釋了萬有引力的本質,即有質量的物體會對它存在的空間形成壓迫,造成所在空間扭曲,形成引力波。離物體越近空間扭曲越厲害,引力越強,而質量越大的物體對空間的壓迫越強。
  • 三大基本力都被統一,只剩下引力沒有,它的本質是什麼?
    然而現在就被引力給難住了,它到底是什麼?牛頓被蘋果砸到腦袋後,就開始思考蘋果為什麼只垂直往下掉,而不是別的方向。他越研究越興奮,因為他發現了這種情況存在於整個自然界中,後來又把目光對準星空,發現了天體之間的聯繫,就這樣牛頓提出了萬有引力。每個物體之間都有引力,力的大小和物體的質量成正比。注意,牛頓是提出了萬有引力,不是發明,他也不知道引力的本質到底是什麼。
  • 解讀牛頓|萬有引力定律為啥是科學的?牛頓到底偉大在哪裡?
    牛頓出生於1643年,他建立了一套在人類可感知的範圍中能夠解釋世界上許多的物理現象的萬有引力理論。萬有引力定律為啥是科學的?牛頓到底偉大在哪裡?自古以來,人類在面對世界上紛繁複雜的現象時,總會設想和找到隱藏在眾多現象背後那個統一的本質,人類的努力在十七世紀終於得到回報。不過對於一般人而言,如果你希望解釋蘋果為何從樹上掉下來,或者想精準計算你的炮彈能否準確擲中敵人的位置,牛頓的萬有引力理論已經足夠用了;或者對於需要學習中學程度的科學而言,牛頓物理學已經夠你頭痛了。
  • 引力的本質是什麼?
    引力的本質是什麼?宇宙中有四大基本力,強核力、弱核力、電磁力、以及萬有引力。萬有引力也是四種力中最弱的一種力,關於這些力的本質曾困擾了幾代的科學家,幸運的是關於這些力的本質已經有了基本統一的解釋,為何會產生引力,月球為什麼會繞著地球旋轉?讓我們一起去解答一下這個問題吧!
  • 萬有引力真的存在嗎?是相對論推翻了牛頓的萬有引力嗎?
    學過物理學的都知道萬有引力,牛頓說,一切物體都有引力,物體的質量越大引力就越大,物體間的距離越遠,引力就越小。愛因斯坦的相對論徹底詮釋了引力到底是什麼?相對論以一種新的理論證明了引力這東西根本不存在。