以目前人類認知來看,萬有引力的本質是時空扭曲,時空就是時間和三維空間。
萬有引力定律的發現
牛頓利用自己的微積分思想和總結了開普勒三定律後,發現了萬有引力定律。1687年,在他出版的《自然哲學的數學原理》一書中描述了這個現象,牛頓認為萬有引力定律具有普适性,适用于所有物體,并且引力大小隻與物體的質量和距離有關,這就是我們在物理課本上學過的萬有引力公式。
萬有引力公式
雖然牛頓當時發現了這個定律,但卻不知道萬有引力常量G的大小,直到1789年卡文迪許通過扭秤實驗測出G的數值,公式才得以完善,科學家利用這個公式還發現了海王星和哈雷彗星。
萬有引力在大質量天體間比較明顯,人與人之間雖然也有,但小到可以忽略。
卡文迪許扭秤實驗
愛因斯坦解釋引力
萬有引力的正确性早已在天體中證實,但它是如何産生的?為什麼會相互吸引?
牛頓的解釋是:萬有引力是物體固有的屬性,有重量的物體都會存在,并且當時認為萬有引力是超距的,可以在瞬間傳遞到無限遠的地方,不需要作用時間。
這個觀點和愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論有所矛盾,愛因斯坦認為“真空中的光速是信息傳遞的極限速度”。為了解決矛盾點,1915年,愛因斯坦在他的廣義相對論中對萬有引力本質做出了解釋,認為萬有引力并不真實存在,引力隻是一種假象,它的本質是質量會對周圍時空造成扭曲。
例如,将鉛球放在彈床中間,再沿彈床邊扔一個玻璃球,由于鉛球的重量導緻彈床凹陷,所以玻璃球會繞着鉛球轉幾圈後下落;這個現象本質上和行星繞恒星運動是一樣的,隻不過彈床存在摩擦力,而天體運動的真空環境中幾乎沒有摩擦力。
彈床所表現的僅僅是面上的空間扭曲,實際情況是下面這張動圖。
為了驗證愛因斯坦的猜想,1919年5月底,科學家利用日全食進行了著名的星光偏轉實驗。
通常情況下,太陽背後的恒星發出的亮光會被太陽遮擋,隻有發生日全食時,昏暗的條件下,太陽背後恒星發出的光線,通過太陽引力偏折後能傳遞到地球上,人類才可能直接觀察到太陽背後的恒星。如上圖,實線是光線傳播軌迹,虛線是地球上人類觀察到恒星位置的虛像。
利用愛因斯坦的引力場公式,計算出的數據和實際觀測到的結果完全一緻,而利用牛頓萬有引力定律計算出的偏折角和位置,與實際數據相差一半以上,誤差較大。所以科學家認為愛因斯坦對引力本質的解釋更科學。
但這并不代表牛頓的萬有引力定律是錯的,它有一定的适用範圍,隻能适用于弱引力場,在強引力場中會失效。例如,太陽對水星的引力最強,利用萬有引力定律計算水星近日點進動問題會出現一定偏差。
此後,從日全食中得到更多星光偏移的數據,表明了愛因斯坦理論的正确性,時空扭曲才是引力的本質。
質量越大的物體對時空扭曲作用越明顯,空間的扭曲使光線改變原有運行軌迹,時間的扭曲則會讓時間真正變慢。例如,地球的地核位于引力中心位置,地核所經曆的時間會比地殼更慢,在地球46億年的曆程中,地核比地殼年輕2.5年。
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