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引力是什么?引力真的存在吗?

引力存在吗?

引力存在吗?

我们从小就听过牛顿被苹果树上掉下的苹果砸,然后脑袋好像开了光一样,一下就想明白了万有引定律了。这个故事或多或少是有演绎的成分,真实性堪忧,最早也仅仅载于没见过牛顿的伏尔泰的书中,他也是打听来的。

而如今万有引定律几乎是所有受到过教育的人都知道的一个物理学理论。但是如果我们仔细思考一下,万有引力真的存在吗?

相信大多数人都会坚信引力是存在的,并且可以提出一些相关的证据,就比如苹果会掉地上。但有趣的是,爱因斯坦曾经提出过著名的广义相对论,他认为引力并不存在,实际上那是时空的弯曲。

那问题就来了,同样都是物理学的大神,如果要给物理学家排个序,这两位绝对是占据前二的。大神的观点不同,那到底应该听谁的?

实际上,我们可以说两个人都对了,或者说两个人都错了。两个人的理论都是在解释“苹果掉地上”这个现象,在解释的过程中,就会用到“万有引力”,“时空弯曲”这样的词汇,这其实是两位科学家取的名字。因此,现象是永远存在的,但是会因为不同的理论,而有不同的命名方式。那问题来了,关于“苹果掉落到地面上”的现象,不同的人又有哪些不同的解释呢?

今天,我们就来挨个说说。

万有引力定律

最早的引力理论并非是来自于牛顿,而是亚里士多德。其实在2000多年前的古希腊,古希腊的先哲们就开始探讨这个问题了。最终,亚里士多德提出,万物是由水、火、土、气、以太构成的。其中,月球之上的宇宙是由以太构成的,月球一下的则是有水、火、土、气构成,水和土比较重,因此有往地面运动的倾向,火和气比较轻,因此都是往上飘的。

亚里士多德这套理论和地心说巧妙结合在了一起,在整个西方文化圈统治了上千年。直到牛顿的出现,这个局面才被打破。牛顿在研究这个现象时,其实已经知道了许多基本知识,比如向心力和圆周运动的而关系,甚至还有了微积分的基本思想。基于这些,牛顿提出了万有引力定律,他认为物体之间有彼此吸引的力,这个“力”被称为万有引力。万有引力与物体的质量成正比,与物体间距离的平方成反比。

而牛顿的这一套其实是建构在一个基础之上的,这个基础就是绝对时空观。那什么是绝对时空观呢?

牛顿认为,时间和空间是刚性的,对于任何人来说都是相同的,一秒就是一秒,一米就是一米,和物体的运动状态无关。因此,他还认为万有引力是一种超距作用,说白了就是瞬间完成传递的一种作用力。

但如果你要问牛顿,那万有引力是如何产生的?客观地说,牛顿也说不出一个令人满意的答案。

广义相对论

虽然牛顿没有给出一个令人满意的答案。但是到了上世纪,爱因斯坦先是在1905年提出了狭义相对论,在狭义相对论中,他统一了时间和空间,他认为这两者是密不可分的,应该合起来看,并称为时空。而我们所生活的就是四维时空,是一维的时间和三维的空间。

随后,爱因斯坦试图对相对论进行推广。到了1915年,爱因斯坦推导出了广义相对论。狭义相对论的讨论其实是在惯性参考系下的,也就是平直的时空,而广义相对论这是推广到了任意的参考下,也就是说,可以是弯曲的时空。

爱因斯坦通过等效原理,推导得到了,引力和加速度所产生的惯性力是等效的,这也被称为弱等效原理,其实还有一个强等效原理,由于篇幅关系,就不赘述了。

因此,爱因斯坦就得到引力的本质其实是时空的弯曲。如果我们从二维的视角来看,月球绕着地球转,牛顿的解释是两者之间的引力作用。而在广义相对论当中这是因为地球压弯了周围的时空,而月球在沿着时空的测地线在运动,这里的测地线类似于二维平面中的直线。

总结

根据近100年来的观测和实验,我们知道,广义相对论要远比牛顿的万有引力定律更具有普适性。因此,目前关于引力现象的主流理论是广义相对论,也就是说,引力现象是由时空弯曲造成的。但由于在宏观低速,引力场较弱的情况下,牛顿的理论是广义相对论的近似解。因此,我们如今还在使用。除了万有引力定律,广义相对论,其实还有引力子理论,只不这个理论的误差很大,并非是主流的科学理论。

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