宇宙間引力究竟是何物?從牛頓到愛因斯坦讓我們了解引力的本質!

2019-05-17 10:30:01

早在愛因斯坦之前,對宇宙間理論統一的追求始於科學史上一個著名的故事。故事是這樣的,1655年的某天,一個年輕人正坐在樹下,一切那么突然,他看到一顆蘋果從上面落下,隨著蘋果落下,牛頓重新描繪了我們的宇宙圖景。在他那個時代里一次大膽的猜想中,牛頓聲稱將蘋果拉向地面的力與使月球繞著地球公轉的力實際上是同一種力。一下子,牛頓將天堂與凡間統一在了一起,並為之命名為引力。

這種法則將天上與地下統一在一起,也是這同一法則,統治著行星的運動,潮漲潮落以及我們身邊的事物,這是對我們眼中的自然界一次美妙的統一。

引力是科學上第一種被了解到的力,雖然牛頓發現引力的法則遠在300多年前,但他用來描述這種力的公式語言是如此之精準,時至今日,我們仍在沿用。科學家們謀劃如何讓火箭升天,太空人登月需要的也僅僅只是牛對這一公式而已。但是這裡有個問題,雖然牛頓的法則極為精確地描述了引力的強度,牛頓卻深懷著一個尷尬的秘密,他對引力是如何發生作用毫無頭緒!

之後的250多年裡,科學家心滿意足的使用著這一理論,卻對牛頓耿耿於懷的問題避而不提。直到20世紀初,瑞士專利局辦公室里一位默默無聞的小職員才改變了一切。一邊思考著專利申請,愛因斯坦一邊思考著光的特性,愛因斯坦卻從未料到,他對光的思考將引領他解開牛頓的謎題:什麼是引力。

在26歲時,愛因斯坦就有驚人的發現,即光速時一種宇宙速度的極限,宇宙中沒有任何一種速度可以超越它,但是愛因斯坦公開他的發現不久,他就發現與引力之父發生了矛盾。

問題在於,認為沒有任何速度可以超越光速的理念,與牛頓的引力相互衝突。為了理解這種矛盾,可以簡單做幾個實驗。

首先,設計一場宇宙大災難,想像一下突然之間毫無徵兆地太陽蒸發了,徹底消失不見,看看根據牛頓理論,它會對星球造成什麼影響。牛頓理論預言,隨著太陽的毀滅,行星馬上會脫離它們的軌道,傾斜著飛向宇宙空間。

換句話說,牛頓認為引力是超越任何距離瞬間作用的,所以我們馬上就會感覺到太陽消失帶來的效果。但是愛因斯坦發現了牛頓理論的一個問題,通過他對光線的研究,愛因斯坦發現光並不是瞬時傳播的,事實上,太陽的射線穿越九千三百萬英里射到地球大約需要8分鐘,而由於他已經證明了沒有任何東西,哪怕是引力也不會比光速快,那么地球怎么會在沒有因為太陽消失的影響陷入黑暗之前就從自己的軌道上脫離呢?

對於這位瑞士專利局裡的小將來說,比光跑得更快的東西是不存在的,這意味著250年來的牛頓引力理論錯了。如果牛頓錯了,那么行星又是如何恪守本分的呢?要知道牛頓理論的凱旋是基於對研究天體運動的迫切需求,尤其是關於行星是如何沿軌道運行這一問題上。根據牛頓的公式,我們可以計算出行星的運動方式和軌跡,愛因斯坦必須解決這種困境。

愛因斯坦必須描繪一幅新的宇宙圖景,在這裡引力無法超越光速。一邊繼續在專利局辦公室里上班,愛因斯坦一邊孤獨地在這條路上求索著,經過近十年的絞盡腦汁,他用一種新的統一方式得出了答案。愛因斯坦開始思考一種三維空間以及一維時間共同構成的一種模式“時空”,他希望通過理解這種四維時空的幾何構造,就能簡單的談到將事物沿著這一時空構造的表面平移,就如同蹦床的表面一樣,這種統一的結構可以被質量大的物體如星球彎曲和延伸,而正是這種扭曲或弧形的時空造成了我們感覺到的引力。一個類似地球的行星沿著軌道運動,並不是如牛頓理論所言因為太陽發出的持續不斷的引力抓住了它,而僅僅是因為它隨著由太陽造成的空間結構的曲線在運動。有了對引力新的理解,讓我們再來一次宇宙大災難,讓我們看看心在如果太陽消失了會怎么樣。引力的擾動將會造成沿著空間結構延伸的一道波,就猶如在湖心投進一顆石子造成的漣漪在水面上蕩漾開去,所以在這道波到達地球之前,地球還會呆在軌道上,我們都不會感覺到任何改變。此外,愛因斯坦計算出這種引力的波正是以光的速度傳播。

採用這種新的方法,愛因斯坦解決了和牛頓之間關於引力傳播速度的矛盾,更重要的是愛因斯坦描繪了一個新的世界來說名引力的本質,那就是一個由時間和空間組成的曲面和弧面結構,愛因斯坦把這種對引力的心的描述稱為“廣義相對論”。

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