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引力到底是怎样产生的,是谁弄清了这个根源?

来源: 科普中国 时间: 2023-02-16 09:23:50

万有引力是艾萨克·牛顿发现的,他的这个理论于1687年发表在自己的《自然哲学的数学原理》著作中,万有引力定律表述为:F=GMm/r^2。

这里的F就是引力大小,单位为牛顿,符号为N;G为引力常量,是在地球上1公斤物体质心相隔1米的引力,约为6.67×10^-11 N·m^2/kg^2;M和m表示发生引力的两个大小物体的质量,单位为千克,符号为kg;r为发生引力的两个物体质心之间距离,单位为米,符号为m。


(资料图)

这个公式的意思就是说,引力大小与物体的质量成正比,与引力发生的两个物体之间距离平方成反比。通俗的说就是质量越大,引力就越大;而距离越远,引力就越小,且呈指数级衰减。

这个公式也明确了引力是由质量引起的,就是宇宙万物,只要有质量,就会产生引力。但在牛顿力学中,质量只是物体的惯性质量,是与时空无关的孤立存在,因此虽然发现了质量会产生引力,但无法解释为什么质量会产生引力。

爱因斯坦解决了这个问题,他创立的狭义相对论解决了时间和空间的统一问题,并论证了运动会改变时间和空间,让时间具有膨胀效应,空间具有尺缩效应,颠覆了牛顿的绝对时空观;而且还论证了质量和能量的等效关系,得到了著名的质能方程:E=MC^2。

后来,爱因斯坦又在广义相对论中论证了质量会导致时空弯曲,而引力的本质就是时空弯曲导致的现象。这样,既修正了牛顿绝对时空观导致的许多力学误差,又找到了引力发生的根源。

那么,为什么质量会导致时空弯曲呢?这是因为时空就像一张看不见的大网,当然这张网并不是平面的而是立体的,当具有质量的物体进入这个大网时,就会压迫这个大网发生凹陷,质量和运动能量越大,这个凹陷就越大。

有科学家采用一张拉紧的床单来表示时空,在这个床单上放上质量大小不同的各种球,人们就会发现质量越大的球会在床单上压下更深的凹陷,而质量小的球靠近这个凹陷就会掉落下去。虽然床单不能表现出立体的时空,但比较形象的说明了质量是引力的来源,而且质量越大引力就越大。

这就是时空弯曲,人们把被大质量天体导致的这种时空弯曲称为时空陷阱或者时空漩涡,小质量天体接近这种时空旋涡,进入了大质量天体的势力范围,就会有被吸入漩涡的趋势,表现出来的现象就是相互吸引的万有引力现象。

就连每秒30万公里的光,在经过大质量天体时,其行走路径也会发生偏转,这种偏转正是顺着时空漩涡的涡环线经过,如在太阳后面的恒星光线经过太阳附近时,被太阳引力拉弯,日食时会被我们观测到。

这正是100年前的1919年,英国天文学家亚瑟·爱丁顿率领一支远征队,不远万里到非洲西海岸追逐日全食,观测证实了星光经过太阳发生的偏转,与爱因斯坦的时空弯曲理论相符,从而向全世界宣布了这个伟大理论的正确,引起了世界科学界的轰动,并让人类文明从此进入了一个新阶段。

所以,引力是一种现象,本质是时空弯曲,是质量对时空导致的弯曲形成的一种现象。牛顿与爱因斯坦理论的差别是前者发现了这种现象,后者找到了形成这种现象的根源。

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标签: 爱因斯坦 两个物体 万有引力