谁把牛顿的苹果车翻了个底朝天?


曾经的200 多年期间,伊萨克·牛顿的万有引力定律享有绝对权威。按照牛顿的理论,引力在瞬间起作用。设想地球突然间变得更重了,那么太阳系里的其他每个天体都会在同一瞬间感受到这一变化。

但是,1906 年爱因斯坦发表了狭义相对论,指出没有事物能传播得比光速更快。牛顿关于引力传递的瞬时性违背了狭义相对论中普适的速度极限。

然后在1916 年爱因斯坦发表了广义相对论,把牛顿的苹果车翻了个底朝天。在牛顿看来,空间只是物理定律扮演角色的舞台,但是爱因斯坦展示了空间和时间都是舞台上的演员。质量造成空间弯曲而空间引发质量运动。

在牛顿看来,引力作用只能被有质量物体感知,但是爱因斯坦证明引力甚至能作用于像光子这种无质量物质。在牛顿的引力世界里,光对引力作用无动于衷,但是光线会在大质量天体的引力拉动下“弯曲”。

爱因斯坦提出引力并不是有质量物体感受到的固有的力,实际上只是有质量物体作用于宇宙组织的一种“副产品”。

每一个有质量物体都会使它所处的宇宙组织即时空变形:物体的质量越大,这种变形越厉害。这种效应常常可用一只保龄球和一张橡皮床单作比喻,保龄球放在床单上会压出一个凹陷。

任何质量较小的物体(譬如一颗弹子)会滚落到凹陷里去。这就是“引力势阱”对小质量物体(譬如你和我)的作用,于是我们就感受到引力。

一个物体受多大的引力作用取决于它的质量和它的运动速度。对于光子来说,以光速传播,当然时空的变形再大也只能让它稍微偏折一点点。

但是对于质量大得多(运行也慢得多)的地球来说,变形大得足以阻止行星摆脱“凹陷”,地球被禁锢在一个椭圆形的轨道上运行,它还是想沿直线运行的,但被太阳的引力拴住了。

如果太阳突然消失,“凹陷”也将匿迹,几分钟之后(取决于太阳消失的“信息”以光速传播何时到达),地球将沿直线飞驰而去。

引力的强度服从平方反比律,因为这是物体周围时空曲率的性质。你离物体的引力中心越近,你掉落下去的引力势阱就越深,那么你感受的引力就越大(当然物体质量越大,时空变形越大,引力势阱越深,引力也就越大)。

宇宙中引力最强大的天体是黑洞,构筑的引力势阱深不可测,即使光线也没有足够的劲头摆脱它的羁伴(但是我们还无法试图构建一个黑洞)。

如果这样说你还不是很明白,那么就看下面的图吧。

首先建立你自己的时空想法:

·橡皮床单代表时空

·保龄球代表大质量天体(如恒星)

·弹子代表较小质量物体

1 暂时把你想象中的保龄球搁置一边,把一个想象中的弹子顺着床单滚动起来。这颗弹子将沿着一条笔直的直线前行。

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2 现在捡起这个保龄球把它放上床单。这个球将使床单变形,形成一个凹陷。现在当你让弹子继续在床单上滚动时,它试图还沿着直线前进,但是当它遇到这个凹陷时,将环绕保龄球转动,好像被保龄球拖过去似的。在这种情况下,弹子代表一个光子,由于它不具有任何质量并以光速运行,事实上不可能掉落进凹穴里去。但是,由于光子在其中传播的空间已经变形,它的路径稍微偏转了。

谁把牛顿的苹果车翻了个底朝天?

3 如果你增加弹子的质量并使它慢一些,这样它代表一颗行星,它将进一步掉进引力势阱。如果弹子有足够的动量,它将沿着这个凹陷的边缘转动,也就是环绕保龄球恒星公转。如果它的动量太大,它将摆脱势阱,向空间逃逸。如果它没有足够的动量,它将迳直掉落进势阱,撞向恒星。

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4 现在我们去按压这个保龄球,使它陷得更深,以模拟质量更大得多的天体。这时引力势阱深得很了,即使光子也没有足够的动量能逃脱。万事万物都会掉进去,正像一个黑洞。这就是引力。一切具有质量的物体都能使时空扭曲(甚至你和我),一切运动中的事物都会遭受引力的影响,即使光线。保龄球并不直接吸引弹子(牛顿设想能吸引),而是改变弹子在其中运行的空间的形态。

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以橡皮床单的类比描述广义相对论是一种有用的方式,但是这局限于二维。实际上时空是四维结构(上下、左右、前后,当然还有时间)。以一个在各方向都受扭曲的三维立体去描述它更加确切。

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图文巧妙结合,通俗地解开宇宙是怎么形成的

谁把牛顿的苹果车翻了个底朝天?

内部实拍1

谁把牛顿的苹果车翻了个底朝天?

内部实拍2


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