解读人类对引力的探索史,一步步接近万有引力的本质!
引力,在我们身边无处不在,它是我们能够安稳地站在地面的原因。或许是对引力太习以为常了,以至于我们经常会忽略引力的存在,也很少会追问引力更本质的东西。
但是科学家们就不一样了,他们具有常人不具备的敏锐嗅觉,好奇心和探索欲望极强,很多被普通人认为理所当然的事实,科学家总是会问为什么。
先从日心说和地心说的较量说起。
地心说统治了上千年,直到哥白尼的出现,动摇了地心说的统治地位。哥白尼通过不断观察发现,如果天体围绕地球运行的话,运行轨迹显得复杂。如果天体都围绕太阳运行的话,运行轨迹就非常简单。
按照“奥卡姆剃刀”原理的诠释,如无必要勿增实体,哥白尼大胆提出了日心说,太阳代替地球成为中心。哥白尼的行为惹怒了当时的宗教人士,被认为触犯了天条,结果被活活烧死。
但是哥白尼的死去并没有阻挡真理的到来。布鲁诺继承了哥白尼的思想,甚至比哥白尼更激进。
布鲁诺不但支持日心说,更是提出宇宙是无限大的,而太阳只是无数恒星中非常普通的一颗。在这种观点下,人类和地球渺小得如同蝼蚁。结果与前辈哥白尼一样,布鲁诺同样被烧死。
接下来,一位天文学家的出现,开启了人类认识太阳系的新篇章,他就是开普勒。他提出的三大定律让人类首次认识到了太阳系的运行规律,这三大定律也成为牛顿经典力学的基础。
第一,太阳系所有行星围绕太阳运行的轨道都是椭圆形,而太阳位于椭圆的焦点上。
第二,距离太阳近,行星的速度就快,反之就慢。单位时间内行星扫过的面积相等。
最后一条,行星公转周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。
上面就是在牛顿之前,人类对太阳系的研究历史。除此之外,还有另外一个伟大的物理学家伽利略,他提出了物体运动与力之间的关系,认为静止的物体在没有外力作用时,会一直保持静止。而运动的物体在没有外力作用的情况下,会一直保持匀速直线运动。
实际上伽利略的思想就是惯性定律的雏形,只不过当时的伽利略并不知道其中的原因。
在开普勒和伽利略之后,另一位物理学界大佬终于登场了,他就是牛顿,继承了前辈们的思想,牛顿终于提出了伟大的万有引力定律。
当时的牛顿一直有一个疑问,既然伽利略说不受外力作用的运动物体,会一直保持匀速直线运动,那么地球为什么不是匀速直线运动呢?
很显然,肯定某种力作用在了地球上,改变了地球的运行轨迹。这种力到底来自哪里?
看到苹果落地启发了牛顿,给了他灵感,万有引力理论呼之欲出。当然整个过程肯定不会如此简单,这里只是简单描述。
虽然提出了伟大的万有引力,但牛顿知道还有一个更大的问题没有解决:引力到底是如何产生的?万物之间为什么会有引力!
任何时代都有无法突破的局限性,牛顿时代也是如此,牛顿不知道问题的答案,但他知道引力的背后肯定隐藏着更深层的宇宙奥秘。我们当然不能怪牛顿没有发现,他显然已经做得足够好了,但时代的局限性让他无论如何是不能突破的。
这个问题其实也为后来的相对论埋下了伏笔。也就是引力到底是如何传递的?
日常生活常识告诉我们,如果想推动一个物体,就需要接触这个物体,不可能实现隔空打物。所以说,力的传播是需要有介质的。
那么引力的介质是什么呢?人们苦苦寻找但就是找不到。无奈只能假设一种叫做以太的物质,以太就是引力传播的介质。
但是科学是讲究证据的,光假设显然是不行的,没有任何说服力。所以在很长一段时间里,科学家进行大量实验来寻找以太,但都无疾而终。反而越来越多的实验证明以太是不存在的。
直到爱因斯坦在1915年提出了广义相对论,一种全新的引力理论,让真正解决了引力的传播介质问题,也让我们接近了引力的本质。
广义相对论认为,引力的本质其实是时空弯曲。时间和空间是有机的整体,简称时空,两者不可分割。而且时空结构并不是绝对不变的,而是相对的,非常有弹性,就像一块弹性布料那样,可以伸缩,拉扯,甚至撕裂。
说白了,在爱因斯坦看来,引力其实是不存在的,它只是时空弯曲的表象而已。
任何有质量的或能量的物体都会影响周围的时空,压缩时空,具体是如何压缩的呢?
由于宇宙并不存在所谓的上下这种概念,所以网络上很多示意图其实并不严谨,并不是向下压缩,而是朝着物体的质心方向压缩,示意图也是为了更直观通俗地让我们了解而已。
具体来讲就是,时空告诉物体如何运动,物体告诉时空如何弯曲。
当然,这并不是说牛顿的万有引力理论就是错的,就没有用了。事实上,如今统治我们世界的仍旧是万有引力理论。
万有引力理论是广义相对论的特例和近似值,而只有大质量的天体对时空的影响才比较明显,在我们生活的地球上,万有引力仍旧十分精确,根本用不着更为精确的广义相对论。只有上升到宇宙的尺度,广义相对论的精确性才能体现出来。
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