你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

宇宙中各种力的划分,溯根追源,分为最基本的四种力,分别强力、弱力、电磁力以及引力。可以这么说,就是这四种力控制着这个世界的一切变化。

在这四种基本力中,最神奇也是最难统一的就是引力。目前在四大基本力的统一理论中,量子电动力学中(QED)已经统一了三种,几乎把宇宙中所有的力都统一了,就除了万有引力。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

自从苹果把牛顿砸了以后,万有引力就被发现了,任何两个有质量的物体,它们之间都会存在引力。引力的大小与两个物体质量成正比,与它们之间距离的平方成反比,万有引力的公式如下:

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

说句题外话,我一起很好奇,数学上的平方或者开根号,是怎么开自然实体联系一起的,自然竟然会遵循平方关系,不可思议。当然,我们还是返回主题,万有引力是怎么产生的?这个问题,是发现它的牛顿先生一生的遗憾,牛顿也没办法解释它是怎么来的。甚至在提出三大力学定理后,牛顿寻找根源力不得,提出第一把力来源于上帝的说法。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

万有引力概念被提出来,并且可以用于解释天体运动,一切都是那么完美的符合。但是有一个问题一直困惑着牛顿和科学界,引力到底是通过什么传播的呢?要知道,力的传播必须是有介质的,我们在地球上拿起杯子,是手传播力;轮船在海里面随海浪颠簸,是海水在传递力;大风刮动树木摇晃,是空气传播力。而在宇宙中相隔很远的天体,它们之间相隔的是真空,而真空是不能传递力的,它们之间的引力是怎么传递的?为了“解释”这种现象,一种叫做“以太”的物质就被提了出来,它们被认为充满了整个宇宙,万有引力是靠“以太”传播的。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

科学家们费尽心思满宇宙去找“以太”,可惜没有找到任何存在的证据,迈克耳逊-莫雷实验彻底的否定了“以太”的存在后,因此这个问题又变成了无解之谜。

时间到了爱因斯坦的时代,爱因斯坦脑洞大开,在相对论中,爱因斯坦认为万有引力并不是一种力,而是时空弯曲导致的结果。他认为世界所有的物体都处于一个时空之中,有质量的物体,会在这个时空上产生扭曲。如同一张绷紧的床单,在上面放东西,都会使得床单凹下去一点,凹下去的幅度与质量大小相关。物体在时空产生的扭曲,与此原理有点类似。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

质量大的天体对时空产生的弯曲幅度比质量小天体的大,一旦时空被弯曲,原来天体在时空中固有的运行线路也被弯曲,那么它们就会彼此靠近。它们按照原来的运行规律,在弯曲后时空的继续运行。时空弯曲可以这么理解,物体不是在引力迫使下在“平直”时空中运动,而是沿着弯曲时空的恒值线自由地行进。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

由于质量小的天体自身也会对时空产生弯曲,并且本身已经处于运动中,质量小的天体靠近大天体时候,会环绕大天体形成自己的时空轨道。如果用一个形象的比喻,好比一个绷紧的布条,一个大物体产生一个凹陷,拉着质量小的物体向它靠近。但是由于质量小的物体也会在绷紧布条上产生凹陷,如果质量小的物体产生凹陷的陡度比质量大物体产生凹陷的陡度大,它就不会撞到大物体上。由于小质量物体产生的凹陷处于大物体产生的凹陷之中,所以它也不能往外滑去。在三维的角度看,就是质量小的天体围绕质量大的天体运行,既不会相撞,也摆脱不了。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

或质量与密度和体积都相关,质量大但是密度小的物体,或许在时空产生的弯曲(我们可以形象的想象为凹陷)范围大,但是这个凹陷的陡度不大。而质量小,密度大的物体,产生弯曲凹陷的范围小,但是陡度很大。所以在三维宏观上,就好像是有一股无形的“引力”牵引着它们。当然,并不是绝对是因为密度关系,影响时空凹陷的陡度,还存在其他因素,时空凹陷毕竟不是绷紧布条上的凹陷。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

爱因斯坦的时空弯曲理论,脑洞开得很大,很不可思议,甚至很多不能理解的人都在质疑。但是广义相对论的预言一一被验证,以及各种科学发现,比如水星近日点进动解释,遥远星光经过太阳时发生偏折——引力透镜,时空涟漪——引力波的发现,黑洞的发现,引力红移、钟慢效应等,均证实相对论是正确的。因此,引力就是时空弯曲的结果已经得到科学界的认可。本质上,引力属于时空的一种性质。

你有科学家的思维吗?无处不在万有引力,你想过是从哪里来的吗?

当然,引力就是时空弯曲或许只是在某个范围是对的,未必适用所有区域。如同牛顿的力学定理在低速物体时候是正确的,但是在高速物体上,它就不适用了,但并不妨碍它的伟大,更不妨碍它推动人类科技的进步。

现代物理理论的框架已经建立100多年了,但是目前仍在其框架设定内发展,没有突破。或许,随着各种疑问越来越多,就是旧理论被超越的时候。期待着科学探索的进一步发现,也正是各种疑问,促使着科学的不断向前。


分享到:


相關文章: