为什么会产生引力?-MAAMX

我们对引力再熟悉不过,东西掉到地上,物体被束缚在地球表面,地球绕着太阳公转,都是引力在起作用。那么,我们现在对引力的了解有多少,引力究竟是什么呢?

引力是自然界中已知存在的四种基本力之一,另外三种分别是主宰电、磁和光的电磁力,以及在原子核中的微小距离内起作用的强、弱核力。在这四种基本力中,引力是最弱的一个。一块磁铁很容易把一根针从桌上吸引上来,即使整个地球的质量都在把针往下拉。

为什么会产生引力?-MAAMX

从牛顿时代开始,我们对引力的认识就一直在进化,直到现在依然如此。每次对引力的认识有了突破,我们就会更加深入地认识宇宙。

牛顿的万有引力定律

在1666年,年仅23岁的牛顿从剑桥大学回到乡下的家中躲避瘟疫。在某一个下午,牛顿看到苹果掉下来了,他陷入了沉思之中。牛顿并不是第一个注意到苹果从树上掉下来的人,但当他从数学上证明把苹果吸引到地球上的引力一定与太阳束缚地球的引力相同之时,一个伟大的理论就诞生了。

为什么会产生引力?-MAAMX

在牛顿看来,万物之间都存在引力作用,其强度正比于质量乘积,反比于距离平方,这就是万有引力定律。物体的质量越大,引力作用就越强。物体之间的距离越远,引力作用就越弱。无论是地球上的物体,还是宇宙中的天体,它们之间都被引力束缚住。

万有引力定律的局限

根据牛顿的万有引力定律,一切物体之间都会产生引力,无论它们之间的距离有多远。然而,引力的概念也让牛顿感到困扰,引力究竟是如何在真空中起作用的?引力的传播速度又有多快?

直到生命的尽头,牛顿一直在说,“也许有一天,我们会发现产生引力效果的机制”。

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虽然万有引力定律取得了很大的成功,但随着观测技术的进步,这个理论逐渐暴露出了一些更为棘手的问题。天文学家发现,水星近日点的实际进动值与万有引力定律的预言存在差异,这意味着万有引力定律存在局限性。

爱因斯坦:引力是时空弯曲

200多年后,爱因斯坦解开了引力如何在真空中起作用之谜,他创立的广义相对论以一种全新的方式来描述引力。牛顿认为引力是一种力,而爱因斯坦认为引力是空间本身弯曲之后产生的几何效应。

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爱因斯坦认为,完全真空的空间是平坦的。但在有质量物体的作用下,平坦的空间会被弯曲。物体在弯曲空间中会沿着测地线运动,由此将会出现引力效应。并且质量和能量越大,空间曲率越大,引力效应越强。

爱因斯坦的广义相对论不但解释了已知的引力现象,并且还预言了未知的引力现象,例如,引力时间膨胀、引力红移、引力透镜、引力波,它们最终都得到了现代天文学的观测证实。广义相对论还表明,引力的传播速度刚好就是光速,这在引力波探测中得到证实。

牛顿错了吗?

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牛顿的万有引力定律没有错,只是这个理论具有局限性,它只适用于弱引力场的情况。而在强引力场中,广义相对论可以对引力现象做出准确描述。从数学上可以证明,牛顿的引力理论是广义相对论在弱引力场情况下的近似理论。

在大多数情况下,物理学家还是像牛顿当年那样,把引力看作是一种力。即便是火箭发射这样精度要求很高的情况,牛顿的理论也足够用了。

引力的未来

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虽然广义相对论在天文学和宇宙学中取得最大的成功,但它可能并不是终极的引力理论。这是因为广义相对论至今未能与量子力学相调和,引力无法与其他三种基本力相统一。

一直以来,物理学家不断尝试结合广义相对论和量子力学。如果最终能够得到量子引力理论,我们对宇宙的认识将会有一个全新的飞跃,诸如奇点等难题都将迎刃而解。