关于引力,爱因斯坦是对的,牛顿
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关于引力,爱因斯坦是对的,牛顿错了?

2019-08-07 15:52 主页 来源:未知
关于引力,爱因斯坦是对的,牛顿错了?

这是几百年来许多科学家苦苦思索的问题。我们跳得再高,瞬间都会回到地面;我们向天空射出一枚子弹,过一会儿它也将掉落地面;就连飞到几百公里高空的人造卫星,只要哪一天它燃料耗尽,也难逃回落地球并在与大气摩擦中焚毁的命运。
我们知道这都是引力造成的,但引力究竟有多大?它究竟是如何产生的?直到牛顿被苹果砸中脑袋之前,没有人能给出科学的答案。
公元1666年,23岁的艾萨克·牛顿为躲避在伦敦爆发的黑死病逃到了偏远乡村的农场,尽管离开了剑桥大学,但他在乡村寂寞无聊的日子里一直没有停止思考。某一天在苹果树下,牛顿被一颗成熟的苹果砸中,盯着滚落在地的苹果,他突然意识到,苹果之所以下落,是因为大地对它的重力引起。而这个重力不只存在于地面,它可能是宇宙中一切星体相互吸引的根本原因。
关于引力,爱因斯坦是对的,牛顿错了?
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牛顿与苹果
1669年,27岁的牛顿当上了剑桥的数学教授。1687年,牛顿创立了物体间力相互作用的定律,他认为宇宙中任何两个物体之间都有相互的吸引力,这个力的大小与两个物体的质量成正比,同时与它们之间的距离的平方成反比。
鉴于当时科学技术水平的局限,牛顿无法测定那个极小的引力常数G的值,因此万有引力公式被写成:
F∝mM/r²
在这个公式中,F为两个物体相互间的引力,m与M分别为两个物体的质量,r为物体间的距离。
一百多年后的1798年,英国物理学家亨利·卡文迪许通过精密的扭秤法测出引力常数G的值约为:6.754×10⁻¹¹ N·m²/kg²,自此,万有引力公式被改写为:
F=(G×m₁×m₂)/r²
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万有引力公式
万有引力的发现为天体力学奠定了基础,自此之后科学家们对天体运动的研究就有了理论依据,他们可以非常精确地测出太阳、地球与月球的质量与引力关系,准确计算彗星的轨道,甚至还通过行星间轨道的细微变化推测到遥远太空中海王星的存在。
万有引力定律是如此准确,以致于你不需要亲自登上月球就能计算出自己在月球表面的重量。就连月球对地球同步轨道卫星的微小摄动力,也可以通过万有引力公式求出。
牛顿发现了宇宙中一切物质间都存在相互之间的引力,这个引力与它们的质量及距离相关,并且以一个简单易懂的公式将这个关系表示出来,为人类探索宇宙提供了一个强大的工具。牛顿是伟大的。
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因为月球引力仅为地球的1/6,阿波罗13号宇航员到时会轻松许多
但牛顿的万有引力理论没有解决一些根本问题:引力的实质是什么?引力与宇宙中其它力之间到底存在什么样的关联?万有引力适用于一切场合吗?
这些问题直到二十世纪初另一个天才的出现,才有了进一步的解答。
1915年底,瑞士伯尔尼专利局的小职员阿尔伯特·爱因斯坦向普鲁士科学院提交了他的广义相对论论文。在论文中,爱因斯坦提出两条革命性观点:
一、等效原理:引力场与惯性力场在动力学上是等效的;
二、广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中的形式都相同。
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青年爱因斯坦
为了创立相对论,爱因斯坦提前好几年学习了微分几何,这是一个研究弯曲空间的数学工具。因为爱因斯坦认为一切有质量的物体都拥有能量,它会使其周围的空间发生变形,同时速度也将扭曲时间。在这个扭曲的时空中,传统的欧几里德几何学几乎毫无用处,他需要用全新的思维方式和全新的数学工具来解决扭曲时空的问题。
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一个因重力扭曲三维空间的二维切片示意图
爱因斯坦的引力场方程远不如牛顿的万有引力定律那样容易理解,事实上这个拥有多达16个变量的二阶非线性偏微分方程组可以让世界上绝大多数人陷入绝境,即使你精通数学,要想通过数学的方法求得它的解也是件极困难的事情。