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  • 什么是重力?爱因斯坦提出广义相对论后,牛顿的定律是错的吗?

    万有引力是什么?

    每当在万有引力研究方面有了新的发现,我们都会以一种全新的眼光来看待周围的世界。

    什么是重力?爱因斯坦提出广义相对论后,牛顿的定律是错的吗?

    图片:高空跳伞。引力是物理学中我们已知的四个力之一,但是我们对引力的理解在不断地深化。

    还有什么能比引力更令我们熟悉呢?从高处落下一个物体,万有引力就使它坠向地面。同时我们在课堂上学到引力使月球绕地球运动,也使地球绕太阳运动。

    什么是重力?爱因斯坦提出广义相对论后,牛顿的定律是错的吗?

    图解:万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

    引力使我们能够平稳地站在地面上。它引导着每一个被抛出的篮球的轨迹和每一个宇宙飞船的轨迹。可以说,是万有引力使宇宙中的万物聚在一起。

    万有引力是物理学中我们已知的四个力之一。其他的几个力是:控制着电力、磁力和光的电磁力,以及在原子核内的微小距离上有效的一对核力。似乎可能违背直觉的是,万有引力是这些力中最弱的一个。一个小小的冰箱贴足以从桌子上吸起一枚回形针,即使整个地球的质量都在向下拖拽这枚回形针。

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    图解:引力作用于形成银河系的恒星。

    自艾萨克・牛顿从苹果上发现引力以后,我们对于引力的理解在不断地完善,并且至今仍是。每当在引力研究方面有了新的发现,我们都能以一种全新的眼光看待周围的世界。

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    图解:被称为牛顿苹果树后代的一颗苹果树,发现于剑桥大学的植物种植园。

    牛顿卓越的洞察力

    1666年,23岁的牛顿从剑桥大学回到位于英国乡村的家中。多年后他对一位传记作家说,在一个慵懒的下午,他正在沉思,这时,由于苹果偶然间坠落,他的思绪转移到了引力上。牛顿不是第一个注意到苹果从树上落下来的人,他伟大的洞察力表现在,他以数学的形式展示了使苹果落向地面的力一定与使月球按照轨道运转的力是同一种。

    牛顿引力概念的核心——现在被称为万有引力定律——即宇宙中每个物体与其他所有物体间都存在吸引力。而且这力量的强弱与它的质量成正比,也就是说,一个物体质量越大,它的引力就越强。

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    艺术家印象图,牛顿在伍尔斯索普的果园里,一个苹果掉了下来,让他想到了地心引力。来源:UniversalImagesGroup

    引力也随着物体之间的距离而减弱。正如物理学家所说,力与它们之间距离的平方成反比。那就意味着,如果你把两个物体之间的距离扩大一倍,它们之间的引力就只有之前的四分之一。

    牛顿是这样描述引力的:每个物体都在吸引着其他所有的东西,不管它们在哪里,或者相距有多远。但是重力的一些概念也困扰着他,力是如何跨越真空作用到物体上的?

    在纽约的作家理查德·帕内克是《引力:揭开我们脚下的秘密》的作者,他说:“对牛顿来说,‘在一段距离上产生吸引力’这个说法有些费解。在他生命的最后一段时间,他说,也许有一天我们能发现引力到底是什么。”

    爱因斯坦的革命

    引力跨越空间的秘密在200年后被阿尔伯特·爱因斯坦揭开,他的广义相对论用一种全新的方式描述了引力。牛顿认为引力是一个力,而爱因斯坦把它看做空间本身的弯曲。帕内克说:“牛顿把引力描绘成在空间中发生的一种行为,但爱因斯坦认为这是物质和空间的相互作用。”

    什么是重力?爱因斯坦提出广义相对论后,牛顿的定律是错的吗?

    1931年1月,阿尔伯特·爱因斯坦在位于洛杉矶城外的威尔逊山天文台的黑板旁。天文学家用威尔逊山天文台的望远镜发现了宇宙膨胀。图片来源:纽约时报

    诚然,空间的弯曲是不容易描绘的。一种能帮助理解的类比是,想象把保龄球放在橡胶膜上,保龄球就会弯曲橡胶膜的表面。现在想象一个玻璃弹珠沿着橡胶膜的表面滚动,因为膜表面是弯曲的,玻璃弹珠就会沿着弯曲的路径滚动。从玻璃弹珠来看,它的行为就像是保龄球对它施加了一个引力。

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    地球的引力场弯曲了时空,就好像沉重的保龄球弯曲了橡胶膜。地球附近的卫星在弯曲的空间中运动,看起来就像是绕着地球转。图源:space

    爱因斯坦的理论能说明牛顿的引力概念是错的吗?并不是,爱因斯坦的理论只是更加精确和详细。如果你要计算抛出的篮球何时落地,或者计算下一次日食何时发生,用牛顿引力就足够了。但在极端的情况下,比如在极大质量物体的附近,广义相对论的公式更加精确。通过广义相对论,我们可以理解一些奇异的东,比如黑洞和引力波。

    什么是重力?爱因斯坦提出广义相对论后,牛顿的定律是错的吗?

    图解:LIGO引力波天文台位于美国华盛顿,2015年9月首次观测到引力波。

    在大多数情况下,科学家仍然继续使用牛顿引力,也包括宇航员。1968年12月阿波罗8号宇宙飞船从月球返回时,宇航员威廉·安德斯打趣说:“我觉得大部分时间是牛顿在开飞船。”

    引力的研究前景

    爱因斯坦的理论成功地帮助科学家解决了天体物理和宇宙学方面的大量问题,但仍不是一个描述引力的终极理论,因为没人知道如何把引力与量子力学统一起来,后者是另一个物理学中的伟大理论,用来描述亚原子领域的现象。帕内克说:“问题在于,广义相对论无法很好地与量子力学结合,引力是四种基本力中唯一一个没有量子解释的。”

    物理学家希望,未来某个更完全的理论能够把广义相对论和量子力学结合起来。如果实现的话,我们又能够以一种崭新的方式来看待引力。

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. xeno- Dan Falk

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