关于引力,爱因斯坦是对的,牛顿错了?

什么是引力?

这是许多科学家数百年来一直在思考的问题。无论我们跳多高,我们都会立刻回到地面;我们向天空射击一颗子弹,它会在一瞬间落到地上;即使是一颗飞离地面数百公里的卫星也不会逃脱掉落地球的命运,如果任何一天燃料耗尽,它就会与大气摩擦起来。

我们知道这一切都是由引力引起的,但它有多大?它究竟是如何形成的?直到牛顿被苹果击中头部之前,没有人可以给出科学的答案。

牛顿发现了引力

1666年,23岁的艾萨克牛顿(Isaac Newton)逃到偏远村庄的一个农场逃离伦敦的黑死病。虽然他离开了剑桥大学,但他在农村孤独无聊的日子里从未停止过思考。在苹果树下的一天,牛顿被一个熟透的苹果击中,盯着掉落的苹果。他突然意识到,由于地球的引力,苹果倒下了。这种引力不仅存在于地面上。这可能是宇宙中所有恒星相互吸引的根本原因。

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牛顿和苹果

1669年,27岁的牛顿成为剑桥大学的数学教授。 1687年,牛顿建立了物体之间的力量相互作用定律。他相信宇宙中的任何两个物体都具有相互吸引力。力与两个物体的质量成比例,与它们之间的距离的平方成反比。

鉴于当时科学技术的局限性,牛顿无法确定最小引力常数G的值,因此引力公式如下:

F_mM/R2

在这个公式中,F是两个物体之间的引力,m和M是两个物体的质量,R是物体之间的距离。

一百年后,在1798年,英国物理学家亨利卡文迪什通过精确扭转平衡法测量了引力常数G的值:6.754×10?11 Nm2/kg2。从那时起,万有引力公式被重写为:

F=(G×毫升×毫升)/R2

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通用重力公式

引力发现为天体力学奠定了基础。从那以后,科学家们为天体运动的研究奠定了理论基础。他们可以准确地测量太阳,地球和月球的质量和引力之间的关系,并准确地计算出彗星的轨道。甚至海王星在遥远的空间中的存在也被行星际轨道的细微变化所推测。

万有引力定律是如此准确,以至于你不需要亲自登上月球来计算月球表面的重量。即使是月球对地球同步轨道卫星的微小扰动也可以通过万有引力公式获得。

牛顿发现宇宙中所有物质之间存在相互吸引力。这种引力与它们的质量和距离有关,并以易于理解的公式表达这种关系,为人类探索宇宙提供了强大的工具。牛顿很棒。

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由于月球重力只有地球的1/6,阿波罗13号宇航员将更容易

引力的本质是什么?重力与宇宙中其他力量之间的关系是什么?重力是否适用于所有场合?

直到20世纪初出现另一个天才才解决这些问题。

广义相对论的提议

革命的观点:

首先,等效原理:引力场和惯性力场在动力学方面是等价的;

第二,广义相对论的原则:所有物理定律在任何参考系统中都是相同的形式。

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年轻的爱因斯坦

为了创造相对论,爱因斯坦提前几年学习了微分几何,这是一种研究弯曲空间的数学工具。因为爱因斯坦认为所有物质都有能量,它会使周围的空间变形,速度也会扭曲时间。在这个扭曲的时空中,传统的欧几里德几何几乎是无用的。他需要用新的思维方式和新的数学工具来解决扭曲时间和空间的问题。

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由重力扭曲的三维空间的二维切片图

爱因斯坦的引力场方程远不如牛顿万有引力定律那么容易理解。事实上,这个具有多达16个变量的二阶非线性偏微分方程可以让世界上的大多数人陷入绝望的境地,即使你精通数学也是如此。通过数学方法得到解决方案是非常困难的。

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爱因斯坦场方程

相对论预测

由于爱因斯坦的引力场方程过于大脑燃烧,我们不会讨论这个方程和引力关系的推导。我们只说这个方程计算的一些结果和证明的爱因斯坦广义相对论预测。

水星轨道进步:

1859年,法国天文学家勒维尔通过使用牛顿引力定律发现了水星轨道计算中的误差。他发现实际观察到的近日点水星的进动速度比理论计算快38厘米。没有人怀疑牛顿。根据万有引力定律,水星的椭圆轨道应该是固定的。所以每个人都猜到水星和太阳之间可能还有另一颗行星。这个被称为火神的星球放置了水星。快点拖一下。然而,没有人能找到这颗星,因为瓦肯人根本不存在。

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水星岁差跟踪

当各种常数,定义和变量代入爱因斯坦场方程,然后进行一系列复杂计算时,得到以下进动角位移公式;取代太阳质量和水星轨道的一系列参数,物理学家是准确的。地面的值为38弧秒。

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广义相对论推导进动公式

光被重力弯曲

根据相对论的等效原理,虽然光没有静止质量,但它有能量,光的能量等于质量。因此,当光线通过大量天体附近时,它应该被重力吸引而偏转或弯曲。

1919年,当太阳黯然失色时,英国天体物理学家阿瑟爱丁顿观察到西非和巴西太阳背后的Hyades星团位置的变化。他看到了Hyades星团的光线,它应该被太阳,星光挡住。在靠近太阳的时候弯曲了。这证明了爱因斯坦的质量方程和广义相对论是正确的。

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引力透镜弯曲光线形成“爱因斯坦十字架”

后来,天文学家观察到由“引力透镜”现象引起的“爱因斯坦十字架”,进一步证实了光可以通过大尺度物体的重力弯曲。

引力红移

今天的天体物理学家利用引力红移现象来判断遥远行星的方向,从而得出“大爆炸”的假设。引力红移是由爱因斯坦的能量方程和广义相对论推断出的物理现象。因为光的能量与其频率成比例,所以向较低能量的转变表明转向较低频率和较长波长的可见光。将转向红外线。也就是说,当光从重力场逃逸时,它会失去能量并使波长更长。

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当光子从引力场逃逸时发生光谱红移

2018年5月,欧洲南方天文台的科学家将望远镜指向我们年历史中心的一颗S2星。它以7600公里/秒的速度接近银河系中心黑洞射手座Sgr A.当S2经过黑洞附近时,其光谱开始变红。

为了追踪S2星,科学家们利用牛顿万有引力定律和爱因斯坦的引力场方程来计算它们的轨道。结果表明,爱因斯坦的答案与实际观察结果高度一致,相当于演奏9环。牛顿的结果更糟糕,他错过了目标。

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S2星高速通过黑洞附近,这证实了广义相对论

引力波

万有引力定律不能解释引力波,引力波的存在是由爱因斯坦的广义相对论预测的。

在广义相对论中,引力被认为是空间和时间的曲率,因此爱因斯坦认为引力波是空间和时间结构本身的缺陷。当它们通过时,引力波交替地拉伸和压缩空间,但是在非常小的范围内(即使两个黑洞碰撞,空间变形的尺度仅在10-21米之内)。

2015年,激光干涉引力波观测台首次探测到遥远天体发射的引力波。从那以后,黑洞发出的引力波被多次探测到,这证明了爱因斯坦时空弯曲的思想是正确的。

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两个黑洞激发了接近过程中引力波的示意图

上述预测中的一些已经通过观察和实验得到验证,并且一些已被验证,所有这些都超出了引力理论的范围。

由于广义相对论是正确的,它是否证明引力是错误的?

科学不是一个或另一个。

牛顿的万有引力理论认为物体因其质量而具有引力。你可以认为牛顿已经解释了引力的本质,它是物体质量的表现。

由于他的狭义相对论,以及19世纪中叶麦克斯韦场场方程和洛伦兹变换等一系列电磁学研究的结果,爱因斯坦的核心是空间和时间的描述。他将物体的质量等于其能量,并将能量等于质量。爱因斯坦也知道两个物体之间的引力与它们的质量成正比,所以他说物体的质量决定了能量 - 动量密度,能量 - 动量密度引起了时空曲率,并且与曲率成正比。时间和空间,从而确定引力场的强度。

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牛顿和爱因斯坦

不同之处在于牛顿的万有引力是瞬时的,相对论说重力是场,它与光速相同。假设太阳瞬间消失,根据万有引力定律,地球将同时离开轨道;而相对论则认为地球在8分钟后不会分离。牛顿不考虑时间的变化,爱因斯坦认为时间会被扭曲(从而产生一种奇怪的现象,两个极其准确的原子钟,从地面开始,卫星上的那个会慢一些,并且它不会减速在卫星上。)

万有引力定律没有错,它只适用于某些场合。

熟悉现代物理学的朋友都知道广义相对论并不是绝对正确的。它不适用于微观粒子世界的解释,到目前为止还没有出现能够将相对论与量子力学结合起来的理论。同样,在未来对更广阔空间的探索中,人类将不可避免地发现相对论无法解释的更多现象。

直到今天,我们仍在使用万有引力定律来解决我们周围的许多机械问题。一方面,我们不需要在许多物理情况下精确,另一方面,因为引力定律简单而优雅。这就像你学过微积分一样,但是当你去超市购物时你并不需要它。你只需要使用小学的加法,减法,乘法和除法就足够了。