萬有引力的傳播速度是多少?

2020-12-10 鍾銘聊科學

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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。

傳說,牛頓在蘋果樹下思考問題時,被一個蘋果砸中了腦袋,於是他就把蘋果下落和月球繞著地球轉聯繫了起來,繼而想到了萬有引力定律。當然,這是後來人的有意為之編造的故事,並不是一個真實的事情。而用牛頓自己的話說,他在1665年左右,因為當時倫敦瘟疫,到鄉下躲避瘟疫時,就在思考這個問題。幾乎在同一時期,胡克、哈雷等人也在思考相同的問題。

因此,面對這個問題,牛頓拿出來的方案就是大名鼎鼎的萬有引力定律,認為兩個物體之間存在著彼此吸引的力。如果歷史讓胡克等人想到,可能想到取得名字未必會是這個。比如:愛因斯坦認為根本不存在萬有引力定律,出現這樣的情況是因為時空的彎曲,這我們下文還會詳細說到。

萬有引力定律

牛頓建立起來的這套理論告訴我們,萬有引力和物體的質量成正比,與物體之間間距的平方成反比, 並且他給出了萬有引力定律的數學表達式。

不僅如此,他還從當時的格林威治天文臺臺長那裡得到了極其精準的天文觀測數據,並且利用這個數據驗證了自己的萬有引力定律是正確的,並將這些數據作為俘虜放到了第二版的《自然哲學的數學原理》當中。萬有引力定律也使得牛頓成為了學術界首屈一指的學者。

可是他就遇到了一個問題,那就是萬有引力的速度到底是多少?

牛頓認為萬有引力是一種超距作用,意思就是說萬有引力定律可以瞬間傳遞。也就不存在什麼速度大小的限制。舉個例子,如果太陽突然消失了,由於地球繞著太陽轉是因為萬有引力,所以太陽一消失,地球就會立馬感知到,然後就會沿著軌道的切線方向飛出去。

當時,這個觀念實際上並沒有得到實驗的驗證,只是牛頓的一個觀點罷了,實際上以當時的技術也很難驗證。

廣義相對論

牛頓的這套理論實際上是建立在一個假設之上的,這個假設就是時間和空間是平直的,並沒有任何的關係。而到了上世紀初,愛因斯坦提出了著名的相對論。他基於光速不變原理和相對性原理,推導出了狹義相對論。在狹義相對論中,愛因斯坦統一了時間和空間,他認為這兩者應該是相互聯繫的,而不應該單獨對待,應該被合稱為時空,而我們就生活在四維時空當中,三維的空間和一維的時間。

而後來,愛因斯坦對狹義相對論進行更進一步的推廣,得到了廣義相對論。而在廣義相對論當中,愛因斯坦提出萬有引力的本質實際上是時空的彎曲

那具體是咋回事呢?我們都知道,月球是繞著地球轉。牛頓認為這是存在著萬有引力牽引著。而愛因斯坦認為根本不存在萬有引力。實際上是地球壓彎了周圍的時空,月球是沿著時空的測地線在運動,這裡的測地線類似於二維平面中的「直線」。

著名的物理學家惠勒就曾經高度概括了愛因斯坦的廣義相對論的這一描述,他是這麼說:物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動

那麼在廣義相對論當中,萬有引力的傳遞速度是多少呢?

答案也很明確,就是光在真空中的傳播速度,也就是3*10^8m/s。為什麼這麼說呢?

這是因為光速是時空的特殊屬性,是信息傳遞的極限速度。換句話說,如果太陽突然消失了,地球飛出去至少需要8分20秒之後。

總結

從上面的講述,我們知道,無論是萬有引力還是廣義相對論本質都是在解釋「物體之間彼此吸引"的現象。其中,在萬有引力定律中,引力是超巨作用,瞬間完成傳遞。而在廣義相對論中,不存在所謂的」引力「,而「物體之間彼此吸引"的現象是由時空的彎曲造成的,而傳播的速度就是光速。

按照目前的情況來看,廣義相對論更具由普適性,是解釋這一現象的主流科學理論。因此,從目前來看,「引力」的傳播速度是光速。

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