万有引力的本质是什么?
▍万有引力的本质是什么?
时间空间纠缠,不存在没有时间的空间也不存在没有空间的时间,时间空间纠缠争斗就是《上帝
》
▍万有引力的本质是什么?
万有引力公式是牛顿根据前人的观测资料和总结的规律建立的。
我个人觉得万有引力的本质按通俗化讲就是大自然的规律,重物会下坠,气体会上升,每种事物都带有自身的运动特质,这就是万有引力。
▍万有引力的本质是什么?
我个认为,万有引力的本质是大气压强,与地球质量相互,协同作用的结果。
它好像又是一种质量的活性。在宇宙中,有空隙的地方,也同样存在。这种质量的物质特征,相互作用的拉力场,或运动的时光。
▍万有引力的本质是什么?
何为万有引力?其实所有对于力的描述,都是用来解释世界万物是如何运动的。在牛顿之前根本就没有“力”的概念。而概念是物理学沟通中的一个重要工具,是思维与想象之间的根本区别。要探究万有引力这个概念,最好先从人类关于“运动”的故事开始。
牛顿之前的“运动”。
有这样一个事实:在牛顿之前,对于我们生活的这个空间里,物体如何运动,一直无人能解答。
正因如此,那个时代的世界被命运的精灵和魔鬼所控制。一些魔法、巫术、迷信的思想,是那个时代的热门话题。即便古希腊的哲学家们,也将物体的运动归结于,它们是否具有和人类一样的欲望或者情感。所谓的“水火土气”具有各自的本性,它们遵循本性而运动。物体之所以会停下来,只是因为“累”了而已,一些物体之所以会掉在地面,是因为它们渴望与大地合二为一。
以现在的科学语境来解释,就是力是维持物体运动的原因。物体只有在为外力的推动下才能一直运动,外力一旦停止,运动也就停止。这也正是亚里士多德的主张,而这种说法一直从公元前4世纪,延续到了公元后16世纪。
牛顿开启的力学观。
1666年,23岁的牛顿,驱除人类脑中被亚里士多德学派植入的精灵,提出了力的概念,并描述了力的三大特质(牛顿力学三定律)。而且人类第一次可以用简单的公式,来预测物体未来的运动轨迹。
而牛顿之所以能建立万有引力定律,皆因洞察到苹果坠落的秘密。世界万物都在掉向地球,这就是牛顿发现的物理图景。牛顿意识到,如果他站在一个山顶上,只要以足够大的速度扔出一块石头,石头就可以像月亮一样,永远围绕地球做自由落体运动。
而石头的速度,取决于扔出它的那一瞬间,因此牛顿认为力是瞬时的,更是一种超距作用。比如太阳如果突然消失,牛顿认为地球就会立即飞离自己的轨道,飘向宇宙深渊之中。这也就意味着,地球上的时间与太阳上的时间是同步的,乃至于宇宙整个空间的任何一个位置的时间都是同步的。这就是牛顿的绝对时间观。在地球上的一米,到宇宙中任何地方,都是一样的长度,不会发生任何变化。这就是牛顿的绝对空间观。
当牛顿建立了这种绝对空间与绝对时间的常识概念,空间和时间就能构成一个绝对的参考系,可以描述我们日常生活中所有的运动。而引力到底是什么?牛顿并没有去想,因为他兴奋地沉浸在他建立的万有引力定律对万物运动的预言之中。
打破超距作用的场概念。
1860年,麦克斯韦继承了法拉第关于“场”的概念,并建立起了场的数学表达式。虽说麦克斯韦研究的是电磁现象,但他所完善的场概念,被爱因斯坦称为是物理学自牛顿以来最深刻的成果。
在麦克斯韦的场概念中,电磁力的传播,不像牛顿的力那样是瞬间作用,而是需要时间来传播的。而且在揭示了电磁波与光之间的关系之后,关于光速的描述,让经典物理学的两大支柱:牛顿力学与麦克斯韦电磁波理论产生了无法调和的矛盾。
牛顿力学描述的速度,是可以叠加的。而麦克斯韦的电磁波理论中,光速却是恒定的。同样是对速度的描述,为什么万物适用的牛顿力学对于光,就不再适用了呢?到底是牛顿错了,还是麦克斯韦错了?
爱因斯坦对光的理解,勾勒出了对引力的物理图景。
如果你开着一辆光速行驶的车子,远离后方的钟塔。由于后方的光已经追不上你,在你看来钟塔上的钟已停止转动,而如果你看自己的手表,会发现手表依然在运转。
当爱因斯坦想到这一点时,绝对时间观轰然倒塌。不同的速度下,时间的流逝是不一样的。一个跨时代的光速图景在爱因斯坦的大脑里展开了。
1905年,爱因斯坦通过对这个物理图景的思考,打破了牛顿的绝对时间与绝对空间观,提出了时间与空间的相对性。这对理解物体的运动,迈进了一大步。
在爱因斯坦的相对时空观里,光速不变就成了一个合理的解释。虽然当时MM实验已经验证了光速不变,但对于爱因斯坦来说,麦克斯韦的理论给他的启发远远胜于MM实验。
空间可变,就意味着空间可扭曲。而所有物体的运动都依附于空间,也就代表着描述物体运动的力与空间具有深层次的联系。当爱因斯坦将麦克斯韦的“场”概念引入力学中后,引力场替代了万有引力的超距作用。
空间的形变使万物有了运动的趋势,而这种运动的趋势就是引力场。所以说,引力场就是空间扭曲的结果。
总结
引力是空间的扭曲的结果,是人类目前知晓的最接近引力本质的一种诠释。
通过了解人类对运动的认知发展,我们可以看到科学是如何一步一步地去触及自然现象的本质。而看似不相关的光学现象,却让人们更加深刻地理解了引力的本质。而在孜孜不倦地探索中,人们也发现不同的自然现象之间似乎总是存在着某种隐秘的联系。
而这种联系正是爱因斯坦一生所追求的宇宙秩序,这种物理直觉,也正是现代物理学追求大统一终极理论的初衷。
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▍万有引力的本质是什么?
引力的格格不入
上世纪,科学发现宇宙中存在着四种作用,分别是强力、弱力、电磁力和引力。这四大作用力有点类似于胶水,把物质粒子结合到了一起。强力和弱力确保了原子核的结构,电磁力是确保了原子结构的存在,而引力则是物质之间相互吸引的力。
而在这四大作用力当中,人类最早能够系统的认知的是引力。不过,引力也是最让科学家们头疼的一个力。这是因为上世纪50~70年代,科学家在狭义相对论和量子力学的基础上,基于对麦克斯韦方程的认识,建立起了一套粒子物理学标准模型。
这套模型把四大作用力中的电磁力和弱力统一了起来,也就是温伯格等人的电弱理论,同时强力也被纳入到了这个体系当中,但偏偏引力一直无法纳入到这个体系。科学家也试图将其强行纳入到这个体系当中,结果理论和实际相去甚远,因此,并没有被广泛接受。
关于引力的认知,目前主流的理论是牛顿力学和广义相对论。而关于引力本质的诠释则是广义相对论。今天,我们就来聊一聊:引力的本质。
万有引力
其实早在牛顿之前,人们就发现了万物都会往地面上落的现象。为此,古希腊的哲学家亚里士多德就提出了一套逻辑自洽的理论,但是这只是在哲学层面上的一些探讨,并没有非常严格的推导。后来,到了牛顿的时代,牛顿解决了这个问题,他发现万物往地上落和地球绕着太阳转其实是一回事,这是因为物质之间都有彼此吸引的力。
于是,基于这个发现,牛顿推导出了著名的万有引力定律。这个理论和当时的观测现象拟合的很好,几乎没有什么误差,甚至有学者直接利用这个理论,依靠笔和纸预测了海王星的存在,然后天文学家一观测预言的位置,果然有一颗行星在那里。
但是,如果你要问牛顿,引力的本质是什么?他其实是不太能够说服你的。
牛顿认为引力是一种超距力,说白了就是瞬间传递的一种作用。我来举个例子帮你理解一下,如果太阳突然消失,那地球就会立马沿着轨道的切线方向飞出去。
但为什么是超距力,牛顿也是回答不上来的。
万有引力的本质
虽然牛顿不能给我们一个很好的解决方案,不过,后来物理学界出现了一位堪比牛顿的大神,也就是爱因斯坦,在1905年,他基于光速不变原理和相对性原理提出了狭义相对论。
10年后,也就是1915,他又提出了广义相对论。无论是狭义相对论还是广义相对论,本质上就是在研究运动物体对于时空的变化,前者是在平直的时空当中,或者说是在惯性参考系(没有变速运动的情况下);而后者则是在弯曲的时空当中,或者说是在费惯性参考系(有变速运动的情况下)。
而爱因斯坦通过等效原理,就把广义相对论和引力联系了起来。他发现,引力的本质其实就是时空的弯曲。
地球可以绕着太阳运动,说白了就是太阳的质量使得周围的时空弯曲了,地球只是沿着弯曲的“面”,也就做测地线在运动。
这听起来很抽象,毕竟时空使我们看不到的。那我们如何知道爱因斯坦说的对不对呢?
实际上可以利用观测来解决这个问题。
万有引力定律 vs 广义相对论
当时,爱因斯坦刚提出广义相对论时,其实能看得懂的人就不多,更不要说能够论证这个理论对不对的人了。爱因斯坦就一直在极力主张通过观测来判定自己的理论是不是对的。他曾经资助过一个天文学家来求证,结果这个天文学家因为一战的原因,被当做间谍给关了起来。后来,英国的天文学家爱丁顿就亲率团队进行求证。
这可以说是一场万有引力定律和广义相对论直接面对面的角斗,是科学家之间的战争,比拼的是谁的理论和现实更吻合。结果爱丁顿在这次日全食观测中,观测到光线偏折的角度更接近于广义相对论,从而宣告了爱因斯坦的胜利,从此爱因斯坦一举成名,成为了理论物理学史上可以和牛顿并立的科学家。
而广义相对论后来也经历了多次观测的求证,最终成为了主流的科学理论,并且广义相对论的预言的引力波和黑洞也被科学家观测到了。
所以,如今对于引力的本质的解释就是广义相对论的诠释,也就是时空的弯曲。
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