引力的本质是什么?
引力的本质,按照目前的主流理论来说是时空的弯曲。
那这个该如何理解呢?我们可以牛顿时期说起。
牛顿时期的物理学
第一个解释引力的其实是古希腊时期的亚里士多德,不过他的那套理论更多的是基于哲学思辨,所以,虽然亚里士多德时期的理论被当时的人广泛接受,如果现在的人看起来可能会觉得有点匪夷所思。
亚里士多德之后,提出引力理论并且被广泛接受的其实就是牛顿了。牛顿的三大定律和万有引力定律彻底奠定了他在整个科学史上前二的地位。而万有引力定律告诉我们,万物之间都有相互吸引的力。
而天体因为有初速度的存在,所以才会沿着椭圆轨道做运动。
并且,牛顿还用数学语言描述了万有引力定律。万有引力定律告诉我们,引力和物体的质量成正比,和两个物体之间的距离的平方成反比。这里的“距离的平方”说白了,就是在描述两个物体空间的物理量,暗示了万有引力和空间是有关的,而且还是一个球面。
而如果你把天体之间的物理现象,无论是正序还是倒序播放给牛顿看,其实他都会得出同样的万有引力定律,这是因为牛顿的理论是没有时间这个物理量的。
所以,在他的体系里,时间和空间是两个完全没有联系或者说独立的物理量。而且运动也不会对这两个物理量造成任何影响,说白了就是,所有人都对这两个物理量的认知是一样的,该是多少就是多少。这也被叫做牛顿的机械时空观,或者绝对时空观。
爱因斯坦的物理学
到了爱因斯坦,他就打破了牛顿对于时空观的假设,他认为时间和空间是两个彼此关联的物理量,并且统一了它们,提出了三维时空观的概念,这也就是狭义相对论。说的是,时空是可以被弯曲,并不是绝对的。
不过狭义相对论是针对惯性系的,爱因斯坦做了进一步的推广,提出了广义相对论。他认为,物质的质量会造成时空的弯曲。
太阳就是如此,它造成了时空的弯曲,使得周围的行星不得不沿着时空的测地线运动。这里的的测地线,说白了就类似于二维平面中,两点之间的最短距离,只不过测地线是三维时空中的两点之间最短的距离。地球其实就是沿着测地线在运动,其他行星也是如此。如果我们把三维时空现象成二维的,那就下面这样:
而质量越大,实际上就会把三维时空扭曲得越厉害,尤其是黑洞,可以把时空扭曲到连光都跑不出来。
而爱因斯坦进一步提出,其实类似于电磁场,引力也有引力场,而引力场说白了就是时空的弯曲。他的理论后来预测了黑洞的存在,黑洞也被我们拍到了照片,他预言了宇宙的膨胀,成为构建大爆炸模型的理论。预言了引力波,LIGO前两年也观测到了。
除此之外,在和牛顿的万有引力的对决中,完善了牛顿,并且向下兼容了牛顿的引力理论。在预测光线偏折和水星进动要远比牛顿理论更精确。
也正是因为这样,爱因斯坦对于引力的理论成为如今的主流理论。而在这套理论中,他认为引力的本质是时空的弯曲。
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