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愛因斯坦:萬有引力其實(shí)是不存在的,該如何理解這句話?

 宇宙時(shí)空探索 2022-04-22

牛頓萬有引力定律早就告訴我們,萬物之間都存在引力,用公式表達(dá)就是:F=GMm/r2。

也就是說,引力的大小與兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比,與物體的距離(質(zhì)心之間的距離)成反比。

就是這么一個(gè)簡單的公式,指導(dǎo)了人類“上天入地”,其中三個(gè)宇宙速度,就是根據(jù)這個(gè)公式計(jì)算出來的。

幾百年過去了,牛頓的萬有引力公式仍舊統(tǒng)治著人類航天事業(yè),各種衛(wèi)星火星的上天的背后都依托萬有引力定律。

牛頓萬有引力定律固然偉大,但仍有一個(gè)重大問題:引力到底是什么,是如何產(chǎn)生的?

也就是說,產(chǎn)生引力的根源到底是什么?牛頓并沒有給出答案。這個(gè)更深層的問題留給了同樣偉大的物理學(xué)家:愛因斯坦。

愛因斯坦提出了著名的廣義相對論,該理論表明,時(shí)空彎曲才是引力的根源,引力其實(shí)只是時(shí)空彎曲的外在表象罷了。而任何有質(zhì)量的物體都可以對周圍時(shí)空造成影響。

有質(zhì)量的物體會對時(shí)空壓縮彎曲,形成時(shí)空陷阱。當(dāng)有物體經(jīng)過這個(gè)“時(shí)空陷阱”時(shí),就會“掉進(jìn)陷阱”,體現(xiàn)出來的就是萬有引力。

不過,只有大質(zhì)量天體才能對時(shí)空有明顯的影響,平時(shí)我們根本感覺不到這種影響。比如說我們的太陽這種大質(zhì)量天體,科學(xué)家們已經(jīng)觀測到光線經(jīng)過太陽時(shí)會發(fā)生彎曲,其實(shí)就是光線沿著被太陽彎曲的時(shí)空結(jié)構(gòu)在做“測地線運(yùn)動”。

這里有必要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)上對“時(shí)空彎曲”的描述其實(shí)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,很多示意圖只是為了方便大家理解,用類似“彈簧床”的模式來詮釋。其實(shí)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臅r(shí)空彎曲應(yīng)該是這樣的:

一開始人們并不認(rèn)可愛因斯坦的廣義相對論,這很正常,任何新理論的誕生都必須經(jīng)受住考驗(yàn)才行,尤其是廣義相對論這樣具有顛覆性的理論。

不過在隨后的一百多年時(shí)間里,廣義相對論經(jīng)受住了各種考驗(yàn),同時(shí)做出了很多準(zhǔn)確的預(yù)測,比如說黑洞,引力波,引力透鏡,還有引力引起的時(shí)間膨脹效應(yīng)等。

那么廣義相對論對引力的詮釋(時(shí)空彎曲)與牛頓的萬有引力之間有什么關(guān)系呢?

正如剛才所說,萬有引力是時(shí)空彎曲的表象,萬有引力定律是建立在絕對時(shí)空觀基礎(chǔ)上的理論,只適用于低速世界。一旦到了高速世界(比如亞光速)就失效了,會出現(xiàn)較大的誤差,這時(shí)候就必須用到廣義相對論。

狹義相對論表明,速度越快時(shí)間就越慢。除了速度,引力也同樣會影響時(shí)間的快慢,引力越大時(shí)間流逝速度就越慢。

我們每天都在使用的導(dǎo)航系統(tǒng),都是充分考慮了速度和引力對時(shí)間的影響才有效的,如果不考慮時(shí)間和引力對天上衛(wèi)星的影響,導(dǎo)航系統(tǒng)會徹底崩潰。

狹義相對論時(shí)間膨脹公式為:t'=t/√[1-(v/c)2]

廣義相對論時(shí)間膨脹公式為:t'=tx√(1-2GM/rc2)

天上的衛(wèi)星,考慮到引力造成的時(shí)間膨脹,一天時(shí)間要比地球快45微秒??紤]到速度造成的時(shí)間膨脹,一天要比地球時(shí)間慢7微秒。這樣合并計(jì)算,衛(wèi)星上的一天時(shí)間要比地球一天時(shí)間快38微秒。

不要小看38微秒的時(shí)間很短,但積累起來就會對我們的定位系統(tǒng)有明顯影響,所以必須調(diào)整衛(wèi)星上的時(shí)鐘,否則導(dǎo)航會直接把我們導(dǎo)到陰溝里。

所以,可以看出,其實(shí)愛因斯坦并沒有否定萬有引力的存在,他只是詮釋了萬有引力的本質(zhì)!

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