引力是什么?
这是几百年来很多科学家苦苦思考的问题。我们跳得再高,刹时城市回到地面;我们标的目的天空射出一枚枪弹,过一会儿它也将失落落地面;就连飞到几百公里高空的人造卫星,只要哪一天它燃料耗尽,也难逃回落地球并在与大气摩擦中焚毁的命运。
我们知道这都是引力造当作的,但引力事实有多大?它事实是若何发生的?直到牛顿被苹果砸中脑壳之前,没有人能给出科学的谜底。
牛顿发现万有引力
公元1666年,23岁的艾萨克·牛顿为遁藏在伦敦爆发的黑死病逃到了偏远村落的农场,尽管分开了剑桥大学,但他在村落寂寞无聊的日子里一向没有遏制思虑。某一天在苹果树下,牛顿被一颗当作熟的苹果砸中,盯着滚落在地的苹果,他俄然意识到,苹果之所以下落,是因为大地对它的重力引起。而这个重力不只存在于地面,它可能是宇宙中一切星体彼此吸引的底子原因。
牛顿与苹果
1669年,27岁的牛顿当上了剑桥的数学传授。1687年,牛顿创立了物体间力彼此感化的心猿意马律,他认为宇宙中任何两个物体之间都有彼此的吸引力,这个力的巨细与两个物体的质量当作正比,同时与它们之间的距离的平方当作反比。
鉴于那时科学手艺程度的局限,牛顿无法测心猿意马那个极小的引力常数G的值,是以万有引力公式被写当作:
F∝mM/r2
在这个公式中,F为两个物体彼此间的引力,m与M别离为两个物体的质量,r为物体间的距离。
一百多年后的1798年,英国物理学家亨利·卡文迪许经由过程紧密的扭秤法测出引力常数G的值约为:6.754×10-11 N·m2/kg2,自此,万有引力公式被改写为:
F=(G×m1×m2)/r2
万有引力公式
万有引力的发现为天体力学奠基了根本,自此之后科学家们对天体活动的研究就有了理论依据,他们可以很是切确地测出太阳、地球与月球的质量与引力关系,精确计较彗星的轨道,甚至还经由过程行星间轨道的细微转变猜测到遥远太空中海王星的存在。
万有引力心猿意马律是如斯精确,乃至于你不需要亲自登上月球就能计较出本身在月球概况的重量。就连月球对地球同步轨道卫星的细小摄动力,也可以经由过程万有引力公式求出。
牛顿发现了宇宙中一切物质间都存在彼此之间的引力,这个引力与它们的质量及距离相关,而且以一个简单易懂的公式将这个关系暗示出来,为人类摸索宇宙供给了一个壮大的东西。牛顿是伟大的。
因为月球引力仅为地球的1/6,阿波罗13号宇航员到时会轻松很多
但牛顿的万有引力理论没有解决一些底子问题:引力的本色是什么?引力与宇宙中其它力之间到底存在什么样的联系关系?万有引力合用于一切场所吗?
这些问题直到二十宿世纪初另一个天才的呈现,才有了进一步的解答。
广义相对论的提出
1915年末,瑞士伯尔尼专利局的小人员阿尔伯特·爱因斯坦标的目的普鲁士科学院提交了他的广义相对论论文。在论文中,爱因斯坦提出两条革命性不雅点:
一、等效道理:引力场与惯性力场在动力学上是等效的;
二、广义相对性道理:所有的物理心猿意马律在任何参考系中的形式都不异。
为了创立相对论,爱因斯坦提前好几年进修了微分几何,这是一个研究弯曲空间的数学东西。因为爱因斯坦认为一切有质量的物体都拥有能量,它会使其四周的空间发生变形,同时速度也将扭曲时候。在这个扭曲的时空中,传统的欧几里德几何学几乎毫无用处,他需要用全新的思维体例和全新的数学东西来解决扭曲时空的问题。
一个因重力扭曲三维空间的二维切片示意图
爱因斯坦的引力场方程远不如牛顿的万有引力心猿意马律那样轻易理解,事实上这个拥有多达16个变量的二阶非线性偏微分方程组可以让宿世界上绝大大都人陷入绝境,即使你精晓数学,要想经由过程数学的方式求得它的解也是件极坚苦的工作。
爱因斯坦场方程
相对论预言
因为爱因斯坦的引力场方程过分于烧脑,所以咱们不再会商这个方程以及引力关系的推导,只说几个由此方程所计较出来的成果以及被证实的爱因斯坦广义相对论预言。
水星轨道进动:
1859年,法国天文学家勒威耶在操纵牛顿万有引力心猿意马律计较水星轨道时发现存在误差,他发现水星在其轨道近日点的现实不雅测进动值比理论计较值每100年快了38角秒。没有人思疑牛顿,按照万有引力心猿意马律,水星的椭圆轨道应该是固心猿意马的,于是大师猜测在水星与太阳之间有可能还存在另一颗行星,是这颗名叫“瓦肯人”的行星把水星给拖快了。然而没人能找到这颗星,因为“瓦肯人”底子不存在。
当将各类常数、界说以及变量代入爱因斯坦场方程,再进行一系列复杂的推算之后,人们获得如下进动角位移公式;再代入太阳质量以及水星轨道一系列参数,物理学家们精确地获得了38角秒这个值。广义相对论推导进动公式
光被重力弯曲
按拍照对论的等效道理,光尽管没有静止质量,但它有能量,光的能量被等效为质量。是以当光颠末大质量天体四周时,它应该被重力吸引而发生偏转或弯曲。
1919年,太阳发生日食,英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿在西非和巴西不雅察到了掩蔽太阳背后Hyades星团位置的转变,他看到了本应被太阳盖住的Hyades星团发出的光,星光在颠末太阳四周时被弯曲了。由此证实了爱因斯坦的质能方程和广义相对论是准确的。
引力透镜弯曲光线形当作“爱因斯坦十字”
后来,天文学家们又不雅察到了因为“引力透镜”现象而发生的“爱因斯坦十字”,进一步证实了光可以被大质量天体引力弯曲。
引力红移
今天的天体物理学家普遍利用引力红移现象来判定遥远星球的活动偏向,并由此得出“宇宙大爆炸”的设想。引力红移是由爱因斯坦质能方程及广义相对论猜测出的物理现象,因为光的能量与其频率当作比例,所以标的目的较低能量的移动暗示标的目的较低频率和较长波长的移位,可见光将标的目的红外光的移位。也就是说当光从引力场逃逸时,它会掉去能量,从而使波长变长。
2018年5月,欧洲南边天文台的科学家们将千里镜瞄准了距离我们2.8万光年银河系中间的一颗编号为S2的恒星,它正在以7600km/s的速度接近银河系中间黑洞人马座Sgr A,当S2擦过黑洞四周时,它的光谱起头变红。
为了追踪S2恒星,科学家们别离操纵牛顿的万有引力心猿意马律和爱因斯坦的引力场方程对其轨道进行了计较,成果表白爱因斯坦的谜底与现实不雅测成果高度吻合,半斤八两于打了9环,而牛顿的成果却差得比力远,他脱靶了。
S2恒星高速擦过黑洞四周,它验证了广义相对论
引力波
万有引力心猿意马律无法诠释引力波,而经由过程爱因斯坦的广义相对论展望了引力波的存在。
在广义相对论中,引力被视为时空的曲率,是以爱因斯坦认为引力波是空间和时候自己布局中的涟漪。引力波在经由过程时瓜代地拉伸和压缩空间,可是在很是小的标准规模内( 即使对于两颗黑洞相撞,它发生空间形变的标准也只在10-21米以内)。
2015年激光干与引力波天文台初次探测到遥远天体相撞发出的引力波,此后又多次探测到黑洞归并发出的引力波,由此证实了爱因斯坦时空弯曲的设想是准确的。
两个黑洞在接近的过程中激发出引力波示意图
基于相对论的其它预言:黑洞、视界事务与奇点;时候的测量是相对的,在强引力场中时候会减慢——对于不雅察者B来说,A的速度越快,时候越慢,而对于A本身来说他的时候是正常的;宇宙膨胀与宇宙演化;双星系统经由过程引力辐射损掉能量,从而使其彼此接近,若是它们是中子星,会发出纪律的脉冲旌旗灯号,从而形当作脉冲星。
所有以上的预言有些已经经由过程不雅测与尝试获得了验证,有些部门获得了验证,所有的这些都是万有引力理论所力不克不及及的。
既然广义相对论是对的,就证实万有引力错了吗?
科学并不长短此即彼。
牛顿的万有引力理论认为,物体因为有质量才拥有引力,你可以认为牛顿已经诠释了引力的素质,它就是物体质量的表示。
而爱因斯坦因为他的狭义相对论,加上19宿世纪中叶麦克斯韦场方程、洛伦兹变换等一系列电磁学研究的当作果,其焦点是对空间与时候的描述。他将物体的质量与其能量相等效,认为能量等同于质量。爱因斯坦也知道两个物体之间的引力与它们的质量当作正比,所以他说物体的质量决议了能量-动量密度,能量-动量密度造当作时空曲率,而且与时空曲率当作正比,进而确定了引力场的强度。
牛顿与爱因斯坦
由此造当作的分歧是,牛顿的万有引力是瞬时的,相对论则认为引力是场,它与光速不异。假设太阳刹时消逝,按照万有引力心猿意马律,地球会同时离开轨道;而相对论则认为地球将在8分钟之后才会离开。牛顿不考虑时候转变,而爱因斯坦认为时候也会发生扭曲(由此会造当作一个奇异的现象,两个走时极准的原子钟,从地面上看,卫星上的那一台会慢一些,而在卫星上看它并没有变慢)。
万有引力心猿意马律没有错,它只是不合用于某些场所。
熟悉现代物理的伴侣都知道,广义相对论也并非绝对准确,它并不合用于微不雅粒子宿世界的诠释,而且到今朝为止也没有呈现任何一个理论能将相对论与量子力学相同一。同样地,将来人类在对加倍广漠空间的摸索中,必然会发现更多相对论无法诠释的现象。
直到今天,我们依然在操纵万有引力心猿意马律来解决身边的很多力学问题,一方面在很多物理场所我们用不着那么切确,另一方面因为万有引力心猿意马律简单且优雅。这就像是你学会了微积分,但在去超市购物时却用不着它,你只需要用到小学时学会的加减乘除就足够了。
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