读Φ拿枋觯际怯脕斫忉屖澜缛f物是如何運動的。在牛頓之前根本就沒有「力」的概念。而概念是物理學溝通中的一個重要工具,是思維與想像之間的根本區別。要探究萬有引力這個概念,最好先從人類關於「運動」的故事開始。
牛頓之前的「運動」。
有這樣一個事實:在牛頓之前,對於我們生活的這個空間里,物體如何運動,一直無人能解答。
正因如此,那個時代的世界被命運的精靈和魔鬼所控制。一些魔法、巫術、迷信的思想,是那個時代的熱門話題。即便古希臘的哲學家們,也將物體的運動歸結於,它們是否具有和人類一樣的慾望或者情感。所謂的「水火土氣」具有各自的本性,它們遵循本性而運動。物體之所以會停下來,只是因為「累」了而已,一些物體之所以會掉在地面,是因為它們渴望與大地合二為一。
以現在的科學語境來解釋,就是力是維持物體運動的原因。物體只有在為外力的推動下才能一直運動,外力一旦停止,運動也就停止。這也正是亞里士多德的主張,而這種說法一直從公元前4世紀,延續到了公元後16世紀。
牛頓開啟的力學觀。
1666年,23歲的牛頓,驅除人類腦中被亞里士多德學派植入的精靈,提出了力的概念,並描述了力的三大特質(牛頓力學三定律)。而且人類第一次可以用簡單的公式,來預測物體未來的運動軌跡。
而牛頓之所以能建立萬有引力定律,皆因洞察到蘋果墜落的秘密。世界萬物都在掉向地球,這就是牛頓發現的物理圖景。牛頓意識到,如果他站在一個山頂上,只要以足夠大的速度扔出一塊石頭,石頭就可以像月亮一樣,永遠圍繞地球做自由落體運動。
而石頭的速度,取決於扔出它的那一瞬間,因此牛頓認為力是瞬時的,更是一種超距作用。比如太陽如果突然消失,牛頓認為地球就會立即飛離自己的軌道,飄向宇宙深淵之中。這也就意味著,地球上的時間與太陽上的時間是同步的,乃至於宇宙整個空間的任何一個位置的時間都是同步的。這就是牛頓的絕對時間觀。在地球上的一米,到宇宙中任何地方,都是一樣的長度,不會發生任何變化。這就是牛頓的絕對空間觀。
當牛頓建立了這種絕對空間與絕對時間的常識概念,空間和時間就能構成一個絕對的參考系,可以描述我們日常生活中所有的運動。而引力到底是什麼?牛頓並沒有去想,因為他興奮地沉浸在他建立的萬有引力定律對萬物運動的預言之中。
打破超距作用的場概念。
1860年,麥克斯韋繼承了法拉第關於「場」的概念,並建立起了場的數學表達式。雖說麥克斯韋研究的是電磁現象,但他所完善的場概念,被愛因斯坦稱為是物理學自牛頓以來最深刻的成果。
在麥克斯韋的場概念中,電磁力的傳播,不像牛頓的力那樣是瞬間作用,而是需要時間來傳播的。而且在揭示了電磁波與光之間的關係之後,關於光速的描述,讓經典物理學的兩大支柱:牛頓力學與麥克斯韋電磁波理論產生了無法調和的矛盾。
牛頓力學描述的速度,是可以疊加的。而麥克斯韋的電磁波理論中,光速卻是恆定的。同樣是對速度的描述,為什麼萬物適用的牛頓力學對於光,就不再適用了呢?到底是牛頓錯了,還是麥克斯韋錯了?
愛因斯坦對光的理解,勾勒出了對引力的物理圖景。
如果你開著一輛光速行駛的車子,遠離後方的鐘塔。由於後方的光已經追不上你,在你看來鐘塔上的鐘已停止轉動,而如果你看自己的手錶,會發現手錶依然在運轉。
當愛因斯坦想到這一點時,絕對時間觀轟然倒塌。不同的速度下,時間的流逝是不一樣的。一個跨時代的光速圖景在愛因斯坦的大腦里展開了。
1905年,愛因斯坦通過對這個物理圖景的思考,打破了牛頓的絕對時間與絕對空間觀,提出了時間與空間的相對性。這對理解物體的運動,邁進了一大步。
在愛因斯坦的相對時空觀里,光速不變就成了一個合理的解釋。雖然當時MM實驗已經驗證了光速不變,但對於愛因斯坦來說,麥克斯韋的理論給他的啟發遠遠勝於MM實驗。
空間可變,就意味著空間可扭曲。而所有物體的運動都依附於空間,也就代表著描述物體運動的力與空間具有深層次的聯繫。當愛因斯坦將麥克斯韋的「場」概念引入力學中後,引力場替代了萬有引力的超距作用。
空間的形變使萬物有了運動的趨勢,而這種運動的趨勢就是引力場。所以說,引力場就是空間扭曲的結果。
總結
引力是空間的扭曲的結果,是人類目前知曉的最接近引力本質的一種詮釋。
通過了解人類對運動的認知發展,我們可以看到科學是如何一步一步地去觸及自然現象的本質。而看似不相關的光學現象,卻讓人們更加深刻地理解了引力的本質。而在孜孜不倦地探索中,人們也發現不同的自然現象之間似乎總是存在著某種隱秘的聯繫。
而這種聯繫正是愛因斯坦一生所追求的宇宙秩序,這種物理直覺,也正是現代物理學追求大統一終極理論的初衷。
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怎麼理解萬有引力的本質是空間的彎曲? - 小咖啡的回答 - 知乎
怎麼理解萬有引力的本質是空間的彎曲??
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引力這東西到底是什麼?我們看不見它,摸不著它,但它又無所不在。從你有記憶的第一天起,你就能記得自己是怎麼走在路上跌倒,又是怎麼費力地爬起來;當你逐漸長大,你丟沙包,打籃球,一頭扎進水裡游泳,這一切都讓你無時無刻不在感受著地球的引力;再長大一點,你開始明白潮起潮落是因為月球的引力影響了海水。有一天,你終於抬頭好奇地注視著浩渺的星空,日月星辰,斗轉星移,你能看到的宇宙中的一切都被引力這雙無形的大手控制著。你是否跟牛頓一樣好奇過:這引力到底是什麼?牛頓認為,引力就像一根無形的線,牽連著宇宙中的所有物體。從牛頓優美的萬有引力公式我們可以看到,引力的大小跟物體的質量成正比,跟距離的平方成反比。我們地球正是被一根從太陽上拉出的無形的線牽引著,繞著太陽做著有規律的圓周運動,就好像我們甩一個鏈子球一樣。按照牛頓的公式,如果太陽突然爆炸了,那麼太陽的質量瞬間降為零,引力的大小也會瞬間降為零,就好像這根線突然斷掉了,那麼地球就應該瞬間被甩出去,這就叫引力的超距作用。也就是說,在愛因斯坦之前,人們一直認為引力的互相作用是瞬間產生的,不管距離有多遠,只要質量發生變化,引力的大小也立即跟著發生變化。
愛因斯坦對這個觀點產生了嚴重的懷疑。根據狹義相對論所證明的,沒有什麼信號或者能量的傳遞速度能超過光速,如果太陽突然爆炸,地球最快也要在八分鐘後才能得知真相,引力的傳播絕不能逾越光速這個極限。如果引力真是可以超距作用的話,那麼就可以靠有規律地改變質量的大小來向遠方傳遞信息,就跟莫爾斯電碼一樣,這顯然違反了狹義相對論的基本推論。牛頓肯定錯了,但是,如果不是牛頓所說的看不見的線,引力又到底是什麼呢?為什麼它可以隔著遙遠的真空而相互作用?
愛因斯坦點燃一根紙煙,陷入深思。引力可以引起光線的彎曲,光為什麼會彎曲?因為光要走最短的路徑,在一個彎曲的空間里,光的最短路徑看起來就像一條曲線,就好像我們在一個皮球上的兩點間畫一條最短的線,它看上去就是一條曲線。既然光總是走最短的路徑,物理規律都是一樣的,一個扔出去的小球是不是也應該走最短路徑呢?我想應該是的,如果沒有地球引力,這個小球就會沿著直線一直飛下去。現在有了地球引力,這個小球走了一個拋物線落在地上,它的運動軌跡是一根曲線,那麼,我覺得這根曲線就應該是小球認為的在這個空間中的最短路徑,我們這個空間是被地球引力包裹的空間。所以,對了,就是這樣,引力的實質並不是一種力,只不過就是空間彎曲的外在表現而已,沒有什麼無形的線,只有彎曲空間這個實質。我們的宇宙空間就好像一張張開的大網,地球就壓在這張網上,網被壓得凹陷了下去。
圖 5-6 地球使得周圍的空間扭曲
就好像我現在一屁股坐在沙發椅上,我的屁股底下凹陷了一塊。這個凹陷的比喻和圖示都非常粗糙,只是一種近似,你千萬不要認為空間真的就是這麼凹下去的。實際上,三維空間是在所有的維度上都彎曲了,以我們人類有限的想像力,是很難把它真正形象化的,更不用說把它在一張二維的紙上畫出來。但不管怎樣,有這麼一個比喻總比沒有這個比喻好,雖然結果可能會讓這個世界上的少數聰明人更暈菜,但好處是會讓大多數普通人突然理解了時空彎曲。
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新發現天體運動的10個數學原理,引力的本質和宇宙起源秘密將揭開?
溫馨提示:本文第一部分是內容概要,幾分鐘就可了解基本內容;第二部分是詳解,有興趣的讀者看完第一部分後,可以選擇繼續深入細讀。
以下為新發現的10個天體運動的數學原理,敬請全球學者幫助,共同論證與驗證、合作與發表,或懸賞驗證結論,也接受批評和挑戰。
第一部分, 10個天體數學原理的基本內容概要
求證1:逃逸速度的數學公式
所有自轉天體,任意處的順自轉逃逸速度Vt和該點的自轉線速度V1的平方和,總等於兩極逃逸速度V0的平方。
即:Vt^2+V1^2=V0^2 (1.1)