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  • 牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    几百年来的观察已经证明了物体之间普遍存在着引力。在1687年,艾萨克牛顿使用他的万有引力定律量化了这一现象,并将其表述为:在宇宙之中,每一个物体都吸引着其他所有物体,并且任何两个物体之间的作用力与他们质量的乘积成正比,和他们之间距离的平方成反比。在此,我们假设M和m是两个物体的质量,r是它们之间的距离,G是引力常数,那么就可以得出:

    F = GMm/r^2 。

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    引力常数G(其值约为6.67x10^{-11} m^3/kg sec^2)可在实验室中测量得出。牛顿的万有引力定律是一个伟大的物理学“统一”,万有引力定律既解释了我们在地球上所能够感受到的力(众所周知的苹果砸到牛顿),又解释了导致行星以单一的法则绕太阳旋转的力的存在。

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    图解:万有引力定律

    实际上,引力是一种十分微弱的力量。比如说,两个电子之间的电斥力就足以达到他们之间引力的10^40倍。但是,其实引力仍然是天文学中的主导力量,这主要出于两个原因。首先,引力是一种远距离的力,举例而言,即使是强大的核相互作用随着距离增加的衰退也远快于引力平方反比定律。其次,引力的作用是增加的。由于行星和恒星接近于电中性,所以正负电荷之间所施加的力可以相互抵消。然而,在我们已知的范围内,没有东西有这样的负质量,并且可以被引力所抵消。(有时你会感觉引力很强,但是别忘了地球时刻以 6x10^24 kg的力在拉着你)

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    在大多数情况下,牛顿的引力定律是十分精确的。然而,牛顿的理论还是有很强的局限性,不论是在实验(水星轨道上的存在的微小异常)还是理论方面(和相对论的不兼容)。这些局限导致爱因斯坦修正了引力定律,即提出了广义相对论(在此简称GR),相对论大致把引力解释为时空曲率的结果。

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    图解:广义相对论中的时空弯曲示意图

    爱因斯坦的出发点是等效原理,不管质量和内部组成是否相同,两个在同样引力场中的物体,以同样的初始速度开始后将会遵循完全相同的行进路线。这意味着引力理论实际上是一种路径理论(严格地说,是时空中的路径),它在时间和空间中的两点间选择了一条“首选”路线。这听起来有点像是几何,爱因斯坦也描述它“曾是”几何—一个在引力作用下的物体在时空的弯曲中以“尽可能直线”的方式运动着。

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    图解:等效效应由广义相对论引力场公式描述

    打个比方,你可以想象一下,有两条船从赤道的不同点都向北方航行,尽管两条船都不向对方形势,但是就好像有种神秘的力量在拉扯着他们接近彼此,直到最终在北极相遇。我们当然知道在地球弯曲的表面上“最可能的直线”是一个圆圈。根据广义相对论,,引力场中的物体在弯曲的时空中同样以“最可能的直线”(专业的叫法为“测地线”)运动,而他们的曲率又被重量或者能量所决定。用约翰·惠勒的话说:“时空告诉物质如何运动;物质告诉时空如何弯曲。”

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

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    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    图解:爱因斯坦时空弯曲示意图

    尽管牛顿的引力定律和广义相对论的概念来源完全不同,但是他们几乎给出了完全相同的预测。仅在很少的情况下,观察结果支持广义相对论。三个支持广义相对论的“经典测试”分别是,内行星轨道的异常(特别是水星),在太阳引力场中光线的弯曲和光谱线的引力红移。再过去几年中,研究者增加了更多的测试,其中包括引力时间的雷达滞后和双脉冲星的系统运动。个多的测试也被计划在未来进行,包括引力波天文台的建设和计划发射重力探测器B(Gravity Probe B),这是指一个使用敏感陀螺仪寻找“参考系拖拽”的卫星,这是一种在地球旋转时“拖拽”周围空间的相对论效益。

    牛顿和爱因斯坦是怎么看引力的?

    图解:水星轨道近日点真实运动

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. Ada Zhu- einstein

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