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【铅球的重量】万有引力的本质是什么?

从目前人类的认识来看,万有引力的本质是时空的扭曲,时空是时间和三维空间。

万有引力定律的发现

牛顿利用自己的微积分思想和总结了开普勒三定律后,发现了万有引力定律。1687年,在他出版的《自然哲学的数学原理》一书中描述了这个现象,牛顿认为万有引力定律具有普适性,适用于所有物体,并且引力大小只与物体的质量和距离有关,这就是我们在物理课本上学过的万有引力公式。

万有引力公式

虽然牛顿当时发现了这个定律,但却不知道万有引力常量G的大小,直到1789年卡文迪许通过扭秤实验测出G的数值,公式才得以完善,科学家利用这个公式还发现了海王星和哈雷彗星。

万有引力在大质量天体间比较明显,人与人之间虽然也有,但小到可以忽略。

卡文迪许扭秤实验

爱因斯坦解释引力

万有引力的正确性早已在天体中证实,但它是如何产生的?为什么会相互吸引?

牛顿的解释是:万有引力是物体固有的属性,有重量的物体都会存在,并且当时认为万有引力是超距的,可以在瞬间传递到无限远的地方,不需要作用时间。

这个观点和爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论有所矛盾,爱因斯坦认为“真空中的光速是信息传递的极限速度”。为了解决矛盾点,1915年,爱因斯坦在他的广义相对论中对万有引力本质做出了解释,认为万有引力并不真实存在,引力只是一种假象,它的本质是质量会对周围时空造成扭曲。

例如,将铅球放在弹床中间,再沿弹床边扔一个玻璃球,由于铅球的重量导致弹床凹陷,所以玻璃球会绕着铅球转几圈后下落;这个现象本质上和行星绕恒星运动是一样的,只不过弹床存在摩擦力,而天体运动的真空环境中几乎没有摩擦力。

弹床所表现的仅仅是面上的空间扭曲,实际情况是下面这张动图。

为了验证爱因斯坦的猜想,1919年5月底,科学家利用日全食进行了著名的星光偏转实验。

通常情况下,太阳背后的恒星发出的亮光会被太阳遮挡,只有发生日全食时,昏暗的条件下,太阳背后恒星发出的光线,通过太阳引力偏折后能传递到地球上,人类才可能直接观察到太阳背后的恒星。如上图,实线是光线传播轨迹,虚线是地球上人类观察到恒星位置的虚像。

利用爱因斯坦的引力场公式,计算出的数据和实际观测到的结果完全一致,而利用牛顿万有引力定律计算出的偏折角和位置,与实际数据相差一半以上,误差较大。所以科学家认为爱因斯坦对引力本质的解释更科学。

但这并不代表牛顿的万有引力定律是错的,它有一定的适用范围,只能适用于弱引力场,在强引力场中会失效。例如,太阳对水星的引力最强,利用万有引力定律计算水星近日点进动问题会出现一定偏差。

此后,从日全食中得到更多星光偏移的数据,表明了爱因斯坦理论的正确性,时空扭曲才是引力的本质。

质量越大的物体对时空扭曲作用越明显,空间的扭曲使光线改变原有运行轨迹,时间的扭曲则会让时间真正变慢。例如,地球的地核位于引力中心位置,地核所经历的时间会比地壳更慢,在地球46亿年的历程中,地核比地壳年轻2.5年。

责任编辑: 鲁达

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