愛因斯坦認為 “萬有引力是不存在的”,這一觀點乍聽之下令人困惑不已,畢竟在日常生活中,我們時刻都能感受到重力的存在,物體也似乎都遵循著萬有引力定律相互吸引。 那么,該如何正確理解愛因斯坦的這一觀點呢? 在愛因斯坦之前,牛頓的萬有引力定律統(tǒng)治著人們對引力的認知。 牛頓于 17 世紀提出,萬有引力定律表述為:F=GMm/r2。 這意味著,兩個相互作用物體之間的萬有引力 ,與引力常量 以及兩物體質(zhì)量 和 的乘積成正比,與它們質(zhì)心之間距離 的平方成反比。這一定律簡潔而有力,能夠解釋諸多自然現(xiàn)象,比如蘋果從樹上落下、天體的運動等,并且在許多科學(xué)研究和實踐中發(fā)揮著重要作用。 例如,三個宇宙速度就是依據(jù)引力定律推算出來的,正是基于此,人類才得以發(fā)射人造天體,掙脫地球引力,邁向浩瀚太空。牛頓的萬有引力定律在低速、宏觀的世界里取得了巨大的成功,為經(jīng)典力學(xué)奠定了堅實的基礎(chǔ),讓人們對宇宙的運行規(guī)律有了初步的、較為準確的認識。 然而,隨著科學(xué)研究的深入,牛頓的萬有引力定律逐漸暴露出一些局限性。 愛因斯坦的廣義相對論應(yīng)運而生,它從全新的角度揭示了引力的本質(zhì)屬性。愛因斯坦認為,牛頓萬有引力定律雖然揭示了世界上普遍存在的一種力及其規(guī)律,但未能解釋這種力產(chǎn)生的根源。 而廣義相對論指出,質(zhì)量才是引力的根源,產(chǎn)生引力的原因是質(zhì)量對周邊時空的扭曲。 為了更好地理解這一概念,我們可以想象一個場景:把一塊石頭丟進平靜的水中,或者一條魚在水中游動,它們都會對水產(chǎn)生漣漪或漩渦,進而影響周邊的物質(zhì)。 與之類似,任何物體,無論大小,都會對其所處的時空產(chǎn)生擾動。 這種擾動所呈現(xiàn)出的現(xiàn)象就是時空旋渦或者時空陷阱,處于這個范圍內(nèi)的物體的運動都會受到影響,表現(xiàn)為相互掉進對方的陷阱,而我們所觀察到的物體相互吸引的現(xiàn)象,就是引力。 小質(zhì)量物體產(chǎn)生的引力十分微弱,通常難以察覺和測量,而大質(zhì)量天體的引力則顯著得多。質(zhì)量越大的天體,其引發(fā)的時空旋渦就越大且越猛烈,當小物體經(jīng)過時,就容易被卷入這個旋渦,看起來就像是被大天體吸引過去了。 甚至,大質(zhì)量天體的引力漩渦導(dǎo)致的時空彎曲,還能夠影響通過的光線。愛因斯坦曾預(yù)言,遠方恒星的光線經(jīng)過太陽附近時會發(fā)生彎曲。這一預(yù)言在廣義相對論發(fā)表后不久便得到了科學(xué)界的證實。 1919 年,為了證實時空彎曲理論,英國皇家科學(xué)院派出了以著名天文學(xué)家愛丁頓為首的兩支遠征隊,分別前往西非普林西比和亞馬遜森林這兩個日全食的最佳觀測地點。 愛因斯坦預(yù)言,星光經(jīng)過太陽邊緣時,會產(chǎn)生 角秒的偏差。然而,由于太陽光線過于強烈,在平時根本無法驗證這一微小的偏差。 只有在日全食發(fā)生時,才有可能觀測到這種現(xiàn)象,這便是愛丁頓帶領(lǐng)遠征隊前往最佳觀測點的原因。最終,他們在日全食的最佳時刻,成功觀測并證實了愛因斯坦的預(yù)言。 當愛丁頓通過電報將這個消息告知愛因斯坦時,愛因斯坦詼諧地回應(yīng):“我一點也不驚訝,因為如果測到的不是這樣,對上帝來說就太遺憾了?!?/span> 這一事件不僅彰顯了愛因斯坦對自己研究成果的高度自信,也使得廣義相對論迅速傳遍世界,成為現(xiàn)代物理學(xué)最基礎(chǔ)、最前沿的理論之一。 廣義相對論的場論推演產(chǎn)生了許多令人驚嘆的預(yù)言,如黑洞、引力波、時間膨脹、引力透鏡等等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,這些預(yù)言逐一得到證實,并且在航天探測和日常生活等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,極大地推動了人類科技文明的進步。 以時間膨脹效應(yīng)為例,根據(jù)廣義相對論,引力會導(dǎo)致時空彎曲,而空間的變形會引發(fā)時間的變化,這意味著時空在不同的坐標系中是相對的,而非絕對的。 愛因斯坦早在狹義相對論中就闡述了高速系中的時間膨脹效應(yīng),即速度越快,時間流逝越慢;在重力系統(tǒng)中,重力越大,時間流逝同樣越慢。 這兩種時間膨脹效應(yīng)在實際觀測和運動中都必須予以考量,否則將無法獲得精準的結(jié)果。 例如,現(xiàn)代發(fā)射衛(wèi)星、探測器以及進行宇宙航行時,都需要進行時空的相對論修正。 以 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)為例,由于導(dǎo)航衛(wèi)星在距地表 萬多公里的高空,以時速 萬公里的速度運行,其所處的重力環(huán)境比地球表面小,因此衛(wèi)星時間每天比地表流逝要快45微秒;同時,由于高速運行,時間每天又會流逝慢7微秒。綜合來看,衛(wèi)星時間每天要比地表快38微秒。 雖然這一微小的時間差異在日常生活中幾乎可以忽略不計,但對于要求極高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)而言,如果不依據(jù)相對論進行調(diào)整,每天將會積累約 公里的定位誤差,從而使導(dǎo)航系統(tǒng)完全失去作用。 因此,必須對衛(wèi)星上的原子鐘進行震動頻率的調(diào)整,以確保天地時間的精準一致,實現(xiàn)精準定位和導(dǎo)航。 實際上,愛因斯坦并非認為萬有引力真的不存在,而是對萬有引力的本質(zhì)進行了更為深入的探究和更精準的解釋。 牛頓的萬有引力定律在低速、宏觀的情況下仍然是有效的,它為我們理解物體的運動和相互作用提供了重要的基礎(chǔ)。而愛因斯坦的廣義相對論在更廣闊的領(lǐng)域,尤其是高速、強引力等極端條件下,展現(xiàn)出了更強的解釋力和預(yù)測能力。 |
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