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宇宙间引力究竟是何物?从牛顿到爱因斯坦让我们了解引力的本质!

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宇宙时空 2021-06-10 20:05

早在爱因斯坦之前,对宇宙间理论统一的追求始于科学史上一个著名的故事。故事是这样的,1655年的某天,一个年轻人正坐在树下,一切那么突然,他看到一颗苹果从上面落下,随着苹果落下,牛顿重新描绘了我们的宇宙图景。在他那个时代里一次大胆的猜想中,牛顿声称将苹果拉向地面的力与使月球绕着地球公转的力实际上是同一种力。一下子,牛顿将天堂与凡间统一在了一起,并为之命名为引力。

这种法则将天上与地下统一在一起,也是这同一法则,统治着行星的运动,潮涨潮落以及我们身边的事物,这是对我们眼中的自然界一次美妙的统一。

引力是科学上第一种被了解到的力,虽然牛顿发现引力的法则远在300多年前,但他用来描述这种力的公式语言是如此之精准,时至今日,我们仍在沿用。科学家们谋划如何让火箭升天,宇航员登月需要的也仅仅只是牛顿这一公式而已。但是这里有个问题,虽然牛顿的法则极为精确地描述了引力的强度,牛顿却深怀着一个尴尬的秘密,他对引力是如何发生作用毫无头绪!

之后的250多年里,科学家心满意足使用着这一理论,却对牛顿耿耿于怀的问题避而不提。直到20世纪初,瑞士专利局办公室里一位默默无闻的小职员才改变了一切。一边思考着专利申请,爱因斯坦一边思考着光的特性,爱因斯坦却从未料到,他对光的思考将引领他解开牛顿的谜题:什么是引力。

在26岁时,爱因斯坦就有惊人的发现,即光速是一种宇宙速度的极限,宇宙中没有任何一种速度可以超越它,但是爱因斯坦公开他的发现不久,他就发现与引力之父发生了矛盾。

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问题在于,认为没有任何速度可以超越光速的理念,与牛顿的引力相互冲突。为了理解这种矛盾,可以简单做几个实验。

首先,设计一场宇宙大灾难,想象一下突然之间毫无征兆地太阳蒸发了,彻底消失不见,看看根据牛顿理论,它会对星球造成什么影响。牛顿理论预言,随着太阳的毁灭,行星马上会脱离它们的轨道,倾斜着飞向宇宙空间。

换句话说,牛顿认为引力是超越任何距离瞬间作用的,所以我们马上就会感觉到太阳消失带来的效果。但是爱因斯坦发现了牛顿理论的一个问题,通过他对光线的研究,爱因斯坦发现光并不是瞬时传播的,事实上,太阳的射线穿越九千三百万英里射到地球大约需要8分钟,而由于他已经证明了没有任何东西,哪怕是引力也不会比光速快,那么地球怎么会在没有因为太阳消失的影响陷入黑暗之前就从自己的轨道上脱离呢?

对于这位瑞士专利局里的小将来说,比光跑得更快的东西是不存在的,这意味着250年来的牛顿引力理论错了。如果牛顿错了,那么行星又是如何恪守本分的呢?要知道牛顿理论的凯旋是基于对研究天体运动的迫切需求,尤其是关于行星是如何沿轨道运行这一问题上。根据牛顿的公式,我们可以计算出行星的运动方式和轨迹,爱因斯坦必须解决这种困境。

爱因斯坦必须描绘一幅新的宇宙图景,在这里引力无法超越光速。一边继续在专利局办公室里上班,爱因斯坦一边孤独地在这条路上求索着,经过近十年的绞尽脑汁,他用一种新的统一方式得出了答案。爱因斯坦开始思考一种三维空间以及一维时间共同构成的一种模式“时空”,他希望通过理解这种四维时空的几何构造,就能简单谈到将事物沿着这一时空构造的表面平移,就如同蹦床的表面一样,这种统一的结构可以被质量大的物体如星球弯曲和延伸,而正是这种扭曲或弧形的时空造成了我们感觉到的引力。

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扭曲时空的直观图

采用这种新的方法,爱因斯坦解决了和牛顿之间关于引力传播速度的矛盾,更重要的是爱因斯坦描绘了一个新的世界来说明引力的本质,那就是一个由时间和空间组成的曲面和弧面结构,爱因斯坦把这种对引力的新的描述称为“广义相对论”。

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