引力理论:是什么让所有的星球都是漂浮在空中的?

最早的引力理论

如果我们现在随便翻一张宇宙的图片,很可能看到的就是在虚无的宇宙空间中,有许多天体似乎“漂浮”在上面。

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当然,这一类的图片大部分都是艺术加工过的,只有极少数是真实拍摄的。不过,看到这些图,就会让许多产生一种想法,为什么这些天体是“漂浮”在宇宙上的,而不会下坠。

这个事的不怪我们有这个疑问,事实上,如果我们仅仅在地球上观测,在没有任何现代科学知识的情况下,就会有这样的疑问。古希腊人对此很纳闷,因为在地球上,我们看到的是地球万物都在朝着地面落,但是太空当中,天体就没有向下的趋势,而是绕着某个天体在转。

于是,当时的人提出了一套理论,他们认为月球以下的世界,包括地球在内,是由水火土气四种元素构成的,其中水和土比较重,有往地面坠落的趋势,火和气比较轻,会远离地面,但不会跑到月球以上的世界。

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月球以上是由以太构成的。这就把天界和地球的物理规律分开,天界不需要符合地球的规律,因此,也就不会有下坠的情况。这套理论其实最终纳入到了地心说理论当中,是地心说的一部分。我们也可以把它理解成最早的引力理论。

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这也被称为亚里士多德的世界观,其中有一个要素就是力是维持物体运动状态的原因。翻译过来就是你想要一直跑,其实就得一直输出力。

牛顿的万有引力理论

后来科学逐渐发展,以哥白尼为代表的一群学者提出了不同的看法,这在历史上也被称为哥白尼革命。不过,那个时代出现了许多的科学理论,一直没有能够得到统一。直到牛顿出现后,这些新出现的知识才被有机的结合到一起,同时,牛顿还证明了万有引力定律。

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并且把地球上的物理学和宇宙天体运动的规律统一了起来。这套路理论可以解释当时所见到的绝大多数的物理学现象,并且还能预测。牛顿也因此跻身科学史上最伟大的科学家之列,只有爱因斯坦可以与其比肩。

根据万有引力定律和牛顿三大定律,我们知道,力是改变物体运动状态的原因。地球上的东西会掉落到地面其实是因为有地球引力的作用。而地球之所以绕着太阳转,是因为太阳和地球之间有引力的作用,并且由于地球有一定的初速度,才使得地球绕着太阳在转。

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我们在地球上,总有“向下落”的感觉本质上是来自于引力作用,是有力的作用导致的。如果我们分析一下地球,地球其实受到的都是引力,其中最大的引力来自于太阳,然后是其他的天体。总体来说,地球的受力方向是指向太阳的,也就是说,对于地球来说的“向下落”是指向太阳的方向。

我们视觉上地球的“下方”,其实没有任何力的作用,地球自然也就不会向下坠了。

爱因斯坦的广义相对论

当然,我们还可以用另外一个角度来理解这个问题。我们都知道,如今的引力理论其实是广义相对论,牛顿的引力理论只适用于弱引力场,而爱因斯坦的理论更具有普适性。那如何来用广义相对论理解这个问题呢?

这要从狭义相对论说起,爱因斯坦通过光速不变原理和相对性原理推导出狭义相对论,在这个理论当中,他统一了时间和空间,他认为两者都会受到运动状态的影响,时间和空间不应该被分离开来看,而应该被结合起来,并称为时空。而我们生活在的就是四维时空,其中是一维的时间和三维度的空间。

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后来,爱因斯坦要把狭义相对论进一步地进行推广,他就发现,根本不存在引力,实际上引力现象的本质是时空的弯曲。我们以地球为例,地球压弯了周围的时空,而月球其实是沿着时空的测地线在运动。(测地线类似于二维平面中的直线,也就是时空中两点之间最短的距离。)说白了,就是贴着时空在运动,也就是沿着时空的“直线”在动。

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同样的道理,地球之所以绕着太阳转,也是因为太阳压弯了周围的时空,地球是沿着时空的测地线在运动。

因此,地球以及其他的天体,是沿着时空的测地线在运动的,所以它们没有向下的可能性,它们已经是贴着时空的“地面”在运动了。

总结

因此,天体看起来像是悬浮在宇宙当中,本质上是因为我们生活在地球上的一种错觉。牛顿体系中,力是改变物体运动状态的原因,地球对于地球表面的物体的有吸引力,所以我们才有物体都会“下坠”的感觉,但太空中,引力的方向并不是我们视觉上的下方,而是在天体之间的连线上,那地球的受力方向其实朝向太阳的。而地球视觉上的“下方”,实际上不存在力,也就不会下坠了。如果从爱因斯坦的理论来理解,实际上天体已经是贴着时空在运动了。

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