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宇宙秩序規(guī)則的締造者-引力，這個(gè)定義似乎沒錯(cuò)，因?yàn)樵谖覀冇^測到的所有天體的運(yùn)行，無一不遵循引力的規(guī)則，那么真實(shí)我們這個(gè)宇宙的“上帝”？其實(shí)未必，因?yàn)槲镔|(zhì)世界規(guī)則締造者有四個(gè)，而引力只是其中一個(gè)而已。 一、物質(zhì)世界的主導(dǎo) 物質(zhì)世界有四種基本作用力，分別是引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和若相互作用力，它們應(yīng)對的范圍各不相同，在各自的崗位上各司其職。
當(dāng)然引力可囊括一切，這理解并沒有錯(cuò)，但在微觀尺度下，引力的作用基本是可以忽略的。猶如強(qiáng)龍不壓地頭蛇，在微觀世界中的界限劃分可是很清楚的。 我們的物質(zhì)世界有起到磚塊作用的費(fèi)米子和粘合作用的玻色子組成，盡管在粒子模型中名字各異，但都可以歸類到這個(gè)大類里，比在帶電粒子之間傳遞電磁力的是光子，夸克間起到粘合作用的是膠子，而弱相互作用則是又由W和Z玻色子傳遞！ 基本作用力的傳遞說完了？對，說完了！ 為什么只說了三個(gè)，傳遞引力的引力子呢？被吃掉了嗎？實(shí)在抱歉種花家根本吃不了引力子，但也不能憑空創(chuàng)造出一個(gè)引力子，至少在現(xiàn)在，它還沒有在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中出現(xiàn)的資格，因此對廣義相對論的量子化道路上仍然很漫長哦。介紹引力，我們還是得從牛頓經(jīng)典力學(xué)開始！ 預(yù)測中的引力子，我們祝愿物理學(xué)家早日找到。 二、從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的廣義相對論 聽說牛頓被蘋果砸到了才發(fā)現(xiàn)了萬有引力，當(dāng)然這個(gè)橋段你可以繼續(xù)當(dāng)故事講給你家小朋友聽，但卻不合適在正式場合引用，除非你打算活躍一下氣氛！他發(fā)現(xiàn)萬有引力定律是因?yàn)楦绨啄岬娜招恼f，以及開普勒的行星三大定律給他架好了梯子，所以牛頓才會說“他站在巨人的肩膀上”，盡管他現(xiàn)實(shí)中毫不客氣，比如他就仗著英國皇家學(xué)會會長的權(quán)利擺了萊布尼茲一道。 當(dāng)然我們今天并非是萊布尼茲抱不平，因?yàn)槲⒎e分思想、方法與符號的都是萊布尼茲的。我們討論萬有引力，現(xiàn)在理解起來很簡單，如上圖，無論天體質(zhì)量大小如何，它們之間的引力都是相等的，這與它們之間的質(zhì)量之積成正比，與它們距離的平方成反比，當(dāng)然還有一個(gè)萬有引力常數(shù)，直到牛頓去世都還沒測出G的值是多大，但在70年后卡文迪許巧妙的用扭稱解決了這個(gè)難題。自此萬有引力定理大行其道，天體間所有行為都可以以此為基礎(chǔ)展開計(jì)算。 萬有引力的尷尬 是什么傳遞了萬有引力？因?yàn)樵谂ｎD時(shí)代對力理解是力的傳遞必須要有一種介質(zhì)，會是哪種介質(zhì)呢？真空肯定不能傳遞力，因此可愛的牛頓勛爵“盜用”了亞歷山多德“以太”的概念，他認(rèn)為宇宙中充滿了看不見的“以太”傳遞了萬有引力！ 經(jīng)典力學(xué)“以太夢”的破滅 牛頓成功的將萬有引力的傳遞媒介給粗暴的解釋了，但他管殺不管埋，“以太”這種物質(zhì)就只能讓后人來尋找了，但這個(gè)“以太”的概念困擾了西方科學(xué)界數(shù)百年，直到一個(gè)經(jīng)典的、足以驗(yàn)證“以太”的物理實(shí)驗(yàn)展開，但它驗(yàn)證的卻不是“以太”存在，而是從根本上否定了以太。 邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn) 其實(shí)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)很單純，受到經(jīng)典力學(xué)的影響，當(dāng)時(shí)的科學(xué)界認(rèn)為光的傳播介質(zhì)也是“以太”，那么問題來了，地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)速度30千米/秒，那么肯定會有“以太風(fēng)”，而光在以太風(fēng)傳播肯定會受到影響。  邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)裝置 但原本證明以太的實(shí)驗(yàn)卻否定了以太，這讓牛頓情何以堪呢？幸虧在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)之時(shí)已經(jīng)是1887年，此時(shí)距離牛頓去世已經(jīng)將近160年，要不然讓牛頓老臉往哪兒擱?。∑鋵?shí)這還有個(gè)故事，盡管邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在，但當(dāng)時(shí)莫雷并不相信自己驗(yàn)證的結(jié)果，而是反復(fù)與米勒設(shè)置改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，試圖找出問題所在，而且各路人馬也加進(jìn)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的大軍。 設(shè)備越來越先進(jìn)，條件越來越苛刻，最終結(jié)果卻逐漸趨向于測量誤差。當(dāng)然現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確無誤的推翻了上述各種結(jié)論，但在此之前洛倫茲等科學(xué)家早已認(rèn)為所謂的以太速度不過就是誤差而已。 水星進(jìn)動-屋漏偏逢連夜雨的牛頓經(jīng)典力學(xué) 牛頓經(jīng)典力學(xué)就像一艘到處破了洞卻還在大海上行駛的船，以太這個(gè)大洞還沒補(bǔ)上，卻又破了一個(gè)水星進(jìn)動的大洞，其實(shí)準(zhǔn)確的說，水近日點(diǎn)進(jìn)動這個(gè)大洞還破的更早一些！ 在萬有引力的理想狀態(tài)下，行星在圍繞恒星公轉(zhuǎn)時(shí)，比如一顆恒星與一顆行星的條件下，行星的軌道會是一個(gè)永遠(yuǎn)都不會改變的橢圓但穩(wěn)定的軌道，但當(dāng)這個(gè)恒星系有其他行星時(shí)，會受到各種干擾，產(chǎn)生進(jìn)動，如上圖，這種軌道進(jìn)動是可以被觀測和計(jì)算的。但1859年法國天文學(xué)家勒維耶發(fā)現(xiàn)水星的實(shí)際軌道進(jìn)動與預(yù)期的并不十分相符，在觀測水星軌道的近日點(diǎn)進(jìn)動時(shí)，觀測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相違背： 觀測結(jié)果：5,600.73角秒/100年 計(jì)算結(jié)果：5,557.62角秒/100年 兩者相差43.11角秒（其實(shí)勒維耶觀測的差異是38角秒），這就是水星近日點(diǎn)進(jìn)動問題的由來，當(dāng)時(shí)的解釋也五花八門，甚至還懷疑水星軌道內(nèi)還有一個(gè)天體。 當(dāng)然我們現(xiàn)在知道水星進(jìn)動問題是因?yàn)樗瞧穆屎芨?，近日點(diǎn)距離太陽很近時(shí)在太陽巨大質(zhì)量導(dǎo)致彎曲時(shí)空中運(yùn)行，它所經(jīng)過的真正距離與遠(yuǎn)日點(diǎn)是有差異的。 廣義相對論 如果用一句話來概括廣義相對論的話，那么用“引力是時(shí)空的幾何”是最合適的，在這里有一個(gè)很關(guān)鍵的名詞是時(shí)空，廣義相對論中認(rèn)為時(shí)空是一個(gè)不可分割的整體，空間的幾何變化同時(shí)會產(chǎn)生時(shí)間的變化。廣義相對論將宇宙時(shí)空這個(gè)不可分割的結(jié)構(gòu)看成是一個(gè)彎曲的黎曼流形，可以用數(shù)學(xué)中的黎曼度量來定義這個(gè)空間的彎曲。廣義相對論認(rèn)為這個(gè)量就是天體引力交互的作用勢。 上圖是愛因斯坦的引力場方程，當(dāng)然早期還有一個(gè)宇宙常數(shù)。這個(gè)方程在計(jì)算球?qū)ΨQ天體引力場的引力與牛頓萬有引力公式是相同的，這表示廣義相對論可以完美包容牛頓的萬有引力，并且還補(bǔ)上牛頓萬有引力傳遞介質(zhì)“以太”的超級大坑。另外順帶將掉在水星進(jìn)動迷霧中的一大波天文學(xué)家拉了出來。 “宇宙時(shí)空的彎曲 =引力場” 美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒對廣義相對論的理解可謂是一針見血：“質(zhì)量告訴時(shí)空怎么彎曲。時(shí)空告訴質(zhì)量怎么運(yùn)動”，不理解廣義相對論這完全沒有問題，但一定要記得這句話，因?yàn)檠bB的時(shí)候到了。 當(dāng)然愛因斯坦的引力場方程驗(yàn)證理論并不只有水星進(jìn)動，還有1919年英國天文學(xué)家愛丁頓帶隊(duì)驗(yàn)證廣義相對論預(yù)言的日食光線彎曲，以及后期的觀測到引力透鏡現(xiàn)象（愛因斯坦環(huán)，愛因斯坦十字架），這都在實(shí)際觀測中驗(yàn)證了愛因斯坦的理論模型。 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的愛因斯坦環(huán)，猶如一層“日暈”的效果就是引力透鏡效應(yīng)。
愛因斯坦十字架，看起來像一片苜蓿葉，其實(shí)是前景星系的強(qiáng)大引力場，把遙遠(yuǎn)類星體的光，分裂成了四個(gè)單獨(dú)的圖像。
當(dāng)然這個(gè)引力透鏡效應(yīng)也成了確定暗物質(zhì)分布的有力工具，比如國家天文臺舒軼平博士和毛淑德研究員就通過哈勃望遠(yuǎn)鏡合作觀測期間選擇了背景天體為萊曼alpha發(fā)射體的引力透鏡來提高暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的精度，因?yàn)楸尘疤祗w越小，能探測到暗物質(zhì)子暈的質(zhì)量就越低，萊曼alpha發(fā)射體是大質(zhì)量恒星系的種子星系，能將靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級左右。
哈勃獲得的21個(gè)強(qiáng)引力透鏡候選者，圍繞著前景透鏡星系的藍(lán)紫色結(jié)構(gòu)就是背景萊曼alpha發(fā)射體的多重像。 三、產(chǎn)生引力的彎曲空間還是引力子？ 迄今為止能夠驗(yàn)證天體運(yùn)行理論模型的依然是彎曲空間，當(dāng)然LIGO在2015年9月14探測到引力波事件只是引力彎曲空間理論上的神補(bǔ)刀而已。而引力子則到現(xiàn)在為止還停留在傳遞引力的“假設(shè)粒子”階段，對于未來是否會發(fā)現(xiàn)“引力子”，這是一個(gè)問題，但追求事件背后的本質(zhì)一直都是人類探索未知世界的原動力，無論未來會驗(yàn)證出什么結(jié)果，這都是人類科學(xué)的進(jìn)步。 “宇宙很奇妙，但我們想了解其本質(zhì)”--星辰大海路上的種花家 |
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