读Φ拿枋觯际怯脕斫忉屖澜缛f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,是思维与想像之间的根本区别。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。这也就意味著,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。
如果你开著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,就意味著空间可扭曲。而所有物体的运动都依附于空间,也就代表著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著某种隐秘的联系。
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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怎么理解万有引力的本质是空间的弯曲? - 小咖啡的回答 - 知乎
怎么理解万有引力的本质是空间的弯曲??
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引力这东西到底是什么?我们看不见它,摸不著它,但它又无所不在。从你有记忆的第一天起,你就能记得自己是怎么走在路上跌倒,又是怎么费力地爬起来;当你逐渐长大,你丢沙包,打篮球,一头扎进水里游泳,这一切都让你无时无刻不在感受著地球的引力;再长大一点,你开始明白潮起潮落是因为月球的引力影响了海水。有一天,你终于抬头好奇地注视著浩渺的星空,日月星辰,斗转星移,你能看到的宇宙中的一切都被引力这双无形的大手控制著。你是否跟牛顿一样好奇过:这引力到底是什么?牛顿认为,引力就像一根无形的线,牵连著宇宙中的所有物体。从牛顿优美的万有引力公式我们可以看到,引力的大小跟物体的质量成正比,跟距离的平方成反比。我们地球正是被一根从太阳上拉出的无形的线牵引著,绕著太阳做著有规律的圆周运动,就好像我们甩一个链子球一样。按照牛顿的公式,如果太阳突然爆炸了,那么太阳的质量瞬间降为零,引力的大小也会瞬间降为零,就好像这根线突然断掉了,那么地球就应该瞬间被甩出去,这就叫引力的超距作用。也就是说,在爱因斯坦之前,人们一直认为引力的互相作用是瞬间产生的,不管距离有多远,只要质量发生变化,引力的大小也立即跟著发生变化。
爱因斯坦对这个观点产生了严重的怀疑。根据狭义相对论所证明的,没有什么信号或者能量的传递速度能超过光速,如果太阳突然爆炸,地球最快也要在八分钟后才能得知真相,引力的传播绝不能逾越光速这个极限。如果引力真是可以超距作用的话,那么就可以靠有规律地改变质量的大小来向远方传递信息,就跟莫尔斯电码一样,这显然违反了狭义相对论的基本推论。牛顿肯定错了,但是,如果不是牛顿所说的看不见的线,引力又到底是什么呢?为什么它可以隔著遥远的真空而相互作用?
爱因斯坦点燃一根纸烟,陷入深思。引力可以引起光线的弯曲,光为什么会弯曲?因为光要走最短的路径,在一个弯曲的空间里,光的最短路径看起来就像一条曲线,就好像我们在一个皮球上的两点间画一条最短的线,它看上去就是一条曲线。既然光总是走最短的路径,物理规律都是一样的,一个扔出去的小球是不是也应该走最短路径呢?我想应该是的,如果没有地球引力,这个小球就会沿著直线一直飞下去。现在有了地球引力,这个小球走了一个抛物线落在地上,它的运动轨迹是一根曲线,那么,我觉得这根曲线就应该是小球认为的在这个空间中的最短路径,我们这个空间是被地球引力包裹的空间。所以,对了,就是这样,引力的实质并不是一种力,只不过就是空间弯曲的外在表现而已,没有什么无形的线,只有弯曲空间这个实质。我们的宇宙空间就好像一张张开的大网,地球就压在这张网上,网被压得凹陷了下去。
图 5-6 地球使得周围的空间扭曲
就好像我现在一屁股坐在沙发椅上,我的屁股底下凹陷了一块。这个凹陷的比喻和图示都非常粗糙,只是一种近似,你千万不要认为空间真的就是这么凹下去的。实际上,三维空间是在所有的维度上都弯曲了,以我们人类有限的想像力,是很难把它真正形象化的,更不用说把它在一张二维的纸上画出来。但不管怎样,有这么一个比喻总比没有这个比喻好,虽然结果可能会让这个世界上的少数聪明人更晕菜,但好处是会让大多数普通人突然理解了时空弯曲。
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新发现天体运动的10个数学原理,引力的本质和宇宙起源秘密将揭开?
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以下为新发现的10个天体运动的数学原理,敬请全球学者帮助,共同论证与验证、合作与发表,或悬赏验证结论,也接受批评和挑战。
第一部分, 10个天体数学原理的基本内容概要
求证1:逃逸速度的数学公式
所有自转天体,任意处的顺自转逃逸速度Vt和该点的自转线速度V1的平方和,总等于两极逃逸速度V0的平方。
即:Vt^2+V1^2=V0^2 (1.1)