萬有引力的本質是什麼?

人窮就要多讀書呀


引力的格格不入

上世紀,科學發現宇宙中存在著四種作用,分別是強力、弱力、電磁力和引力。這四大作用力有點類似於膠水,把物質粒子結合到了一起。強力和弱力確保了原子核的結構,電磁力是確保了原子結構的存在,而引力則是物質之間相互吸引的力。

而在這四大作用力當中,人類最早能夠系統的認知的是引力。不過,引力也是最讓科學家們頭疼的一個力。這是因為上世紀50~70年代,科學家在狹義相對論和量子力學的基礎上,基於對麥克斯韋方程的認識,建立起了一套粒子物理學標準模型。

這套模型把四大作用力中的電磁力和弱力統一了起來,也就是溫伯格等人的電弱理論,同時強力也被納入到了這個體系當中,但偏偏引力一直無法納入到這個體系。科學家也試圖將其強行納入到這個體系當中,結果理論和實際相去甚遠,因此,並沒有被廣泛接受。

關於引力的認知,目前主流的理論是牛頓力學和廣義相對論。而關於引力本質的詮釋則是廣義相對論。今天,我們就來聊一聊:引力的本質

萬有引力

其實早在牛頓之前,人們就發現了萬物都會往地面上落的現象。為此,古希臘的哲學家亞里士多德就提出了一套邏輯自洽的理論,但是這只是在哲學層面上的一些探討,並沒有非常嚴格的推導。後來,到了牛頓的時代,牛頓解決了這個問題,他發現萬物往地上落和地球繞著太陽轉其實是一回事,這是因為物質之間都有彼此吸引的力。

於是,基於這個發現,牛頓推導出了著名的萬有引力定律。這個理論和當時的觀測現象擬合的很好,幾乎沒有什麼誤差,甚至有學者直接利用這個理論,依靠筆和紙預測了海王星的存在,然後天文學家一觀測預言的位置,果然有一顆行星在那裡。

但是,如果你要問牛頓,引力的本質是什麼?他其實是不太能夠說服你的。

牛頓認為引力是一種超距力,說白了就是瞬間傳遞的一種作用。我來舉個例子幫你理解一下,如果太陽突然消失,那地球就會立馬沿著軌道的切線方向飛出去。

但為什麼是超距力,牛頓也是回答不上來的。

萬有引力的本質

雖然牛頓不能給我們一個很好的解決方案,不過,後來物理學界出現了一位堪比牛頓的大神,也就是愛因斯坦,在1905年,他基於光速不變原理和相對性原理提出了狹義相對論。

10年後,也就是1915,他又提出了廣義相對論。無論是狹義相對論還是廣義相對論,本質上就是在研究運動物體對於時空的變化,前者是在平直的時空當中,或者說是在慣性參考系(沒有變速運動的情況下);而後者則是在彎曲的時空當中,或者說是在費慣性參考系(有變速運動的情況下)。

而愛因斯坦通過等效原理,就把廣義相對論和引力聯繫了起來。他發現,引力的本質其實就是時空的彎曲

地球可以繞著太陽運動,說白了就是太陽的質量使得周圍的時空彎曲了,地球只是沿著彎曲的“面”,也就做測地線在運動。

這聽起來很抽象,畢竟時空使我們看不到的。那我們如何知道愛因斯坦說的對不對呢?

實際上可以利用觀測來解決這個問題。

萬有引力定律 vs 廣義相對論

當時,愛因斯坦剛提出廣義相對論時,其實能看得懂的人就不多,更不要說能夠論證這個理論對不對的人了。愛因斯坦就一直在極力主張通過觀測來判定自己的理論是不是對的。他曾經資助過一個天文學家來求證,結果這個天文學家因為一戰的原因,被當做間諜給關了起來。後來,英國的天文學家愛丁頓就親率團隊進行求證。

這可以說是一場萬有引力定律和廣義相對論直接面對面的角鬥,是科學家之間的戰爭,比拼的是誰的理論和現實更吻合。結果愛丁頓在這次日全食觀測中,觀測到光線偏折的角度更接近於廣義相對論,從而宣告了愛因斯坦的勝利,從此愛因斯坦一舉成名,成為了理論物理學史上可以和牛頓並立的科學家。

而廣義相對論後來也經歷了多次觀測的求證,最終成為了主流的科學理論,並且廣義相對論的預言的引力波和黑洞也被科學家觀測到了。

所以,如今對於引力的本質的解釋就是廣義相對論的詮釋,也就是時空的彎曲


薛定諤的科學


按照愛因斯坦廣義相對論的詮釋,引力的本質就是時空彎曲。在上世紀初期,愛因斯坦通過廣義相對論給出了引力的本質,並描述了時空,物質與運動之間的關係,這就是著名的愛因斯坦引力場方程:


簡單說,方程的左邊是時空彎曲情況,右邊是物質及其運動情況,用一句話總結:物質告訴時空如何彎曲,而時空告訴物質如何運動!

廣義相對論解釋了牛頓萬有引力的本質。雖然牛頓發現了萬有引力定律,但他不知道為什麼萬物之間會有引力,直到愛因斯坦的出現,他異於常人的思維讓廣義相對論呼之欲出,徹底打破了人們的傳統思維方式!

那麼既然引力的本質是時空彎曲,也是時空彎曲的表象,為何多數時候我們仍用到萬有引力定律而不是時空彎曲呢?為什麼不用時空彎曲徹底代替引力呢?

萬有引力可以看做時空彎曲的近似表達,而這個近似表達對於我們生活的世界來說已經足夠精確,同時萬有引力又非常簡單,更容易理解和操作,如今科學家發射火箭等用萬有引力定律已經足夠精確了!

但萬有引力並不能解釋所有天體之間的作用問題,比如說水星的近日點進動問題,萬有引力就解釋不了,而廣義相對論能完美的詮釋!

而如今廣義相對論已經被越來越多的科學家證實,很多種宇宙現象都完美地符合相對論的預測,而相對論也成為現代物理學的兩大基石之一,另一個就是量子力學!


宇宙探索


牛頓認為引力是質量產生的,至於為什麼有質量的物質會產生引力,牛頓並不知道。後來,一個人站在了牛頓的肩膀上,他就是愛因斯坦。愛因斯坦認為引力的本質就是空間的幾何扭曲導致的,引力其實並不是一種力。



到了愛因斯坦這裡,引力似乎簡單明瞭的多了。當然了,既然相對論有對引力的描述,作為物理學兩大支柱的量子力學,當然也有對引力本質的描述。量子力學認為引力它是引力子交換導致的,不過可惜的是,科學家們並沒有發現引力子的任何蹤跡。



雖然科學界的各位前輩以及給出了引力的定義,但似乎距離我們認為的引力本質還有很多差距。為什麼質量會產生引力?為什麼時空彎曲了物體就有一個往“下”的力?為什麼找不到“引力子”?一些列的問題直指引力的本質。

如果引力真的是空間的幾何彎曲導致,那麼是否說明存在一個更高維度,因為只有高維度存在,空間才可以扭曲,才可以向“下”。物質有一個落向“下”的力,且這個力並不是大質量物體給的,而是空間凹陷的原因。所以,必然在高維空間中存在一個類似於“地面”的存在,可以對所有有質量物質產生一下“向下”的力。故而,質量越大就會導致空間被往“下”撕扯的越厲害,空間曲率就越大。這樣,高維空間的存在也解釋了引力子為什麼找不到,因為引力子是在高維空間存在,我們三維找不到。我想,或許這才是引力的本質吧。



當然了,想要知道這種想法對不對,只有我們真的進入高維空間了,才有資格一窺究竟。


科學探秘頻道


愛因斯坦在廣義相對論當中明確地提出了,萬有引力的本質是時空的幾何。一種作用力是一種幾何,這種宣稱完全顛覆了我們對“力”的認知方式。這也使得看待其他基本力的本質有了新的可能——或許所有力的本質都是某種能量造成的幾何結構。


如何來理解萬有引力是時空的幾何?

先用平面來比喻我們的宇宙,那麼時空的幾何就可以簡單比喻為紙面上的褶皺,扭曲。但經常科普作品當中的那種用凹陷平面來演示引力扭曲時空的圖示容易造成誤解,讓我們誤以為實際宇宙中的引力也是這樣的凹陷。例如下面這個:

上圖:我們在科普作品上經常見到的說明物質形成時空扭曲的示意圖,常常引起誤解。


實際上,真實的宇宙中的引力應該理解為一種時空的密度,應該類似下面的這種三維的示意——質量導致時空的密度增大,時空的網格被扭曲,向內變得密實,因此才有了大質量物體附近的時間流逝相對緩慢的結論——這個是被實驗證實的,例如GPS定位衛星網格中不同的衛星上的原子鐘的時間會發生偏差,因此GPS衛星的原子鐘必須定期校時;此外,科學家曾經計算過地球的地核因為處於引力中心,實際上比地殼要年輕5歲。

上圖:實際上的時空扭曲應該以這樣的方式來展現,時空在質量周圍是變得更密實了。


質量與引力的關係

一切有質量物體周圍都有引力,這個事實似乎也透露了質量的某種本質。既然質量與引力的關係如此密切,或許質量本身也是時空的某種幾何。個人認為,質量可能就是蜷縮的高密度時空,是時空因能量的作用在小體積內以特定方式蜷縮形成相對穩定狀態的一種形式(比如打了一個結)。所有有質量的物體,包括微觀粒子,最終都會衰變為沒有質量的純能量形式,這是大量實驗所反覆發現的客觀情況,雖然目前尚未有觀察到質子自然衰變的情況,但科學家認為質子必然也會衰變(平均壽命> 2.1×10^29 年)。在這種意義上講,引力可能只是質量本質的外溢表現,它與質量可能就是同一種東西!

而質量又與希格斯玻色子關係密切,那麼我們似乎可以繼續推測,希格斯玻色子與引力子的關係。但希格斯玻色子不是度規玻色子,因此不是傳遞引力的粒子,而只是原位產生質量的標量粒子。目前科學界仍然沒有辦法對引力子的特徵進行確定,如果能夠將確認引力子的存在,那麼對於質量和引力的本質或許會有更清楚的認識。


小宇堂


答案:以目前人類認知來看,萬有引力的本質是時空扭曲,時空就是時間和三維空間。

萬有引力定律的發現

牛頓利用自己的微積分思想和總結了開普勒三定律後,發現了萬有引力定律。1687年,在他出版的《自然哲學的數學原理》一書中描述了這個現象,牛頓認為萬有引力定律具有普適性,適用於所有物體,並且引力大小隻與物體的質量和距離有關,這就是我們在物理課本上學過的萬有引力公式。

萬有引力公式

雖然牛頓當時發現了這個定律,但卻不知道萬有引力常量G的大小,直到1789年卡文迪許通過扭秤實驗測出G的數值,公式才得以完善,科學家利用這個公式還發現了海王星和哈雷彗星。

萬有引力在大質量天體間比較明顯,人與人之間雖然也有,但小到可以忽略。

卡文迪許扭秤實驗

愛因斯坦解釋引力

萬有引力的正確性早已在天體中證實,但它是如何產生的?為什麼會相互吸引?

牛頓的解釋是:萬有引力是物體固有的屬性,有重量的物體都會存在,並且當時認為萬有引力是超距的,可以在瞬間傳遞到無限遠的地方,不需要作用時間。

這個觀點和愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論有所矛盾,愛因斯坦認為“真空中的光速是信息傳遞的極限速度”。為了解決矛盾點,1915年,愛因斯坦在他的廣義相對論中對萬有引力本質做出瞭解釋,認為萬有引力並不真實存在,引力只是一種假象,它的本質是質量會對周圍時空造成扭曲。

例如,將鉛球放在彈床中間,再沿彈床邊扔一個玻璃球,由於鉛球的重量導致彈床凹陷,所以玻璃球會繞著鉛球轉幾圈後下落;這個現象本質上和行星繞恆星運動是一樣的,只不過彈床存在摩擦力,而天體運動的真空環境中幾乎沒有摩擦力。

彈床所表現的僅僅是面上的空間扭曲,實際情況是下面這張動圖。

為了驗證愛因斯坦的猜想,1919年5月底,科學家利用日全食進行了著名的星光偏轉實驗。

通常情況下,太陽背後的恆星發出的亮光會被太陽遮擋,只有發生日全食時,昏暗的條件下,太陽背後恆星發出的光線,通過太陽引力偏折後能傳遞到地球上,人類才可能直接觀察到太陽背後的恆星。如上圖,實線是光線傳播軌跡,虛線是地球上人類觀察到恆星位置的虛像。

利用愛因斯坦的引力場公式,計算出的數據和實際觀測到的結果完全一致,而利用牛頓萬有引力定律計算出的偏折角和位置,與實際數據相差一半以上,誤差較大。所以科學家認為愛因斯坦對引力本質的解釋更科學。

但這並不代表牛頓的萬有引力定律是錯的,它有一定的適用範圍,只能適用於弱引力場,在強引力場中會失效。例如,太陽對水星的引力最強,利用萬有引力定律計算水星近日點進動問題會出現一定偏差。

此後,從日全食中得到更多星光偏移的數據,表明了愛因斯坦理論的正確性,時空扭曲才是引力的本質。

質量越大的物體對時空扭曲作用越明顯,空間的扭曲使光線改變原有運行軌跡,時間的扭曲則會讓時間真正變慢。例如,地球的地核位於引力中心位置,地核所經歷的時間會比地殼更慢,在地球46億年的歷程中,地核比地殼年輕2.5年。


卓聚樂學


萬有引力定律的另類解讀:(與時俱進的放飛一下思想吧)

萬物的存在是由“陽性的世界”和“陰性的智慧”共同構成的!這就是最新由量子力學所引發出來的“人物分合論”,即:

“陽性的世界”組成了“物體鏈”,即“人類、自然、社會、網絡和宇宙”,這個“物體鏈”用M來代替;

“陰性的智慧”組成了“人體鏈”,即“基因、遺傳、意識、靈魂和興趣”,這個“人體鏈”用m來代替!



萬物之間最主要的變化就是“物體鏈”(M)與“人體鏈”(m)之間的融合與碰撞,繼而衍生出一種能量或力(F)。

所以,牛頓萬有引力定律還有另外一層意思,即在宏觀與微觀存在的空間裡,還有另外一種存在,它的表現形式仍可用:

F=G^Mm/r^2來表達,但其中的係數和距離另有描述!

可見,萬有引力定律的本質是人與物之間的關係!也就是說,只有人體與物體之間的關係,才算得上是“主關係”,或者是“強關係”,而物體與物體之間的關係,只能是“次關係”,或者是“弱關係”……

(未完待續,更多的交流,可關注“定慧堂”及《智慧科學的虛學原理》-主編 胡寶鋼)


定慧堂


我個認為,萬有引力的本質是大氣壓強,與地球質量相互,協同作用的結果。

它好像又是一種質量的活性。在宇宙中,有空隙的地方,也同樣存在。這種質量的物質特徵,相互作用的拉力場,或運動的時光。


歲月如梭水如歌


時間會彎曲?空間會彎曲?光束會彎曲?誰見過?光束的彎曲是光的影子,對了光的影子也不會彎曲?能彎曲的只有光的折射或者是光譜、光暈、光波。但又是矛盾的,空間本無直線運動的方式方法,空間所有物質運動是廣義迴路的,簡單理解為從哪裡來,又回到哪裡,質量之總和不變,能量之總和不變,引力之總和為“零” ,這樣引力才能權衡、平衡空間的物質、物體、運動,關於他們之間的關係,用數學公式表述:Fo=O。引力是不明物質,引力的存在依賴於物資與能量的存在,沒有物質,沒有能量,引力就形成不了氣候,引力與其他不明物質抗爭著宇宙,協調宇宙,平衡宇宙的空間運動。比如飛機起飛是脫離重力,還是引力作用,我們不能用簡單的其他原理來說明這個事。因為引力以不規則慣性緊密相連,說引力平衡宇宙,不如說引力在平衡不規則慣性,空間的星際、星球哪一個不是在慣性運動中,如何保持這種永久性的慣性運動,只有引力,引力與其他不明物質配合、協調、紅移、平衡 ,引力是有“呼吸”功能的。我們要尊重自然,尊重客觀,能直的就讓它直,能彎的就讓它彎,不要強詞奪理,結果對誰都沒有好處,浪費資源、浪費時間。


聊天選手九段


萬有引力的本質是物質會相互吸引,質量越大的物體,吸引力就越大,吸引力存在的範圍被稱為“重力場”。重力是一種實實在在的作用力——這是萬有引力定律的核心思想。

《廣義相對論》問世之前,萬有引力定律是人類科學的中心理論,一切理論需要與萬有引力定律相符合。

但是《廣義相對論》問世之後,萬有引力定律就被推翻了。



愛因斯坦重新詮釋了引力的本質:

引力(重力)並不是真實存在的力,它只是時空被彎曲後,宇宙萬物所表現出來的表象。這一表象基於兩大效應:

➊ | 短程線效應:物質始終沿短程線運動,質量會導致時空彎曲,短程線也隨之被彎曲了,物質經過時,會繼續沿著彎曲的短程線運動。

通俗來講就是時空的表面本身是平坦的,但有質量天體會在時空表面壓出一個大坑,當物質經過大坑時,會順著陡坡朝這個天體靠近。

此外,天體的質量越大,時空曲率(時空彎曲的幅度)也就越大,“引力現象”也就表現得越強烈——兩個天體靠近時,誰壓出來的坑大,誰就能捕獲另一方。


➋ | 座標系拖曳效應:天體自轉時,會拉動著周圍時空一起旋轉,產生類似“漩渦”的扭曲,物質會隨著時空一同旋轉,沿螺旋線的路徑跌落到該天體表面。

不過,由於小型天體運動時具有慣性,慣性由質量和速度共同決定,因此,質量和速度滿足條件時,就不會落入天體,而是沿橢圓路徑繞天體運動。

“引力彈弓效應”與座標系拖曳效應之上。


“短程線效應”和“座標系拖曳效應”目前均已被重力探測器B所證實。

同時,在“引力波”被探測到之後,《相對論》所提出的所有理論和預想,已測逐一通過觀測證實全部正確!

也就是說,在“引力”這件事上,萬有引力錯了,時空曲率才是正確的;並且《狹義相對論》《廣義相對論》所有理論全部都被證實了。

不過,在時空曲率不大的情況下,萬有引力定律和相對論的計算結果是一樣的,但萬有引力定律的計算相對更簡單一些,因而沒有被徹底摒棄,至今仍在使用。


最後,我想說一下,我發現回答中,竟然有人說量子力學不認同《廣義相對論》,我實在不知道這種莫名其妙的觀點他是怎麼想出來的。

事實上,相對論體系是目前所有科學領域所依附的主心骨,不僅經典力學和天文學,包括量子力學在內的所有公式都必須建立在符合《相對論》的基礎之上。

一旦發現量子力學的某個公式的計算結果違反了《相對論》,則表示這一公式不成立;

一旦量子力學中某個公式的計算結果,與《相對論》的計算結果不一致,則否定量子力學的這條公式。

換言之:量子力學若違反相對論,否定量子力學;量子力學若與相對論不一致,否定量子力學。認不認同不言而喻了。

我猜那個說量子力學不認同《廣義相對論》的朋友,可能是聽聞了愛因斯坦和玻爾之爭,於是妄自瞎想出來的吧。

但實際上,玻爾和愛因斯坦爭論的問題僅僅只是概率波的理論究竟是否成立。而在索爾維會議中,愛因斯坦提出的一項思想實驗差一點兒就把概率波的理論給推翻了,這件事把玻爾驚出了一身冷汗。

最終之所以沒能推翻,正是玻爾發現這個思想實驗忽略了《廣義相對論》中關於時空扭曲的理論,一旦把這一點考慮進去,實驗結果就跟概率波不牴觸了。愛因斯坦自己計算後,也不得不認輸了。

後來這個思想實驗在現實中被完成了,結果也的確與《廣義相對論》的計算結果一致。

換句話說,虧得有《廣義相對論》的支撐,否則概率波的理論已經被現實中的實驗給證偽了。

居然還敢說量子力學不認同《廣義相對論》。


科學矩陣


任何力都是微觀粒子相互作用的表象。

萬有引力同樣是微觀粒子相互作用的結果。

不要相信愛恩斯坦的廣義相對論,它會把科學帶進死衚衕。

牛頓公式只是描述引力的特點,但沒說明引力是什麼,總的來說比廣義相對論科學。但是,牛頓的引力公式也是有問題的,只有物體間相對靜止或者低速運動才適合使用。當物體之間高速運動時,因為引力的傳遞需要時間,物體之間的引力就不滿足牛頓公式。

我假想存在一種微觀粒子(所有假想都是不科學的)。這是一種質量極小、速度極高、內能極低的粒子。我把這種粒子稱作重力以太。當重力以太碰撞到電荷時,就會轉化為一種質量較大、速度較慢、內能較高的粒子。我把這種粒子稱作電以太。在重力以太轉化為電以太時,動量發生變化,就會產生衝力。同樣,電以太轉分解重力以太時,也會對電荷產生衝力。或許這是庫侖力,或許也貢獻萬有引力。

正、負電以太又可以進一步結合成一種質量更大、速度更低、內能更高的粒子。我把這種粒子稱作光以太。這個轉化過程,動量也會發生變化,也會產生力,或許也是庫侖力或者萬有引力。光以太不是傳播光子的介質,而是阻礙光子傳播的介質。引力場越強的地方,光以太的濃度就越大,光傳播的速度就越慢。

不要把重力子和重力以太混淆。重力子需要相互吸引,然後重力以太則不需要。只要一種粒子可以被合成或者分解成新的粒子,那麼動量就會變化,就可以產生力。


分享到:


相關文章: