牛頓提出了萬有引力,但引力的本質到底是什麼?
即使你從來沒學過物理,也一定聽說過這四個字:萬有引力。在300多年前,牛頓就提出了萬有引力定律,描述萬物之間的相互作用,讓我們知道了宇宙萬物之間都存在引力作用。
但如果你僅僅知道萬物之間存在引力,顯然是對引力作用很膚淺的認知。如果你瞭解了牛頓是如何提出萬有引力定律,然後愛因斯坦如何詮釋引力的本質,你就會對引力作用有更深刻的認知。
相信很多人都聽說過這句話:我看得比別人更遠,是因爲我站在巨人的肩上。沒錯,這句話就是牛頓說的,這句話其實也表明了一點:在牛頓之前,前輩們已經在深入探索宇宙萬物的運動規律了,並且取得了不俗成果,而牛頓在前人的基礎上提出萬有引力,也可以看做“水到渠成”的結果。
讓我們先從地心說開始。長期以來,古人都認爲地球是宇宙的中心,其實這種觀點很正常,畢竟人們每天都會看到日月星辰圍繞着地球運行。
不過哥白尼提出的“日心說”讓“地心說”的支持者有極大的危機感。哥白尼認爲,如果所有天體都圍繞地球,天體的運動軌跡太複雜了。而如果天體都圍繞着太陽運行,那麼運動軌跡就簡單多了。
於是,秉承着“如無必要勿增實體”的奧卡姆剃刀原理,哥白尼提出了日心說。結果大家都知道了,哥白尼被活活燒死。
但是,教會的殘忍絲毫沒有阻礙人們追求真理的信心,作爲哥白尼的繼承者,布魯諾甚至提出了更激進的思想,認爲宇宙是無限大的,而太陽只是無限恆星中的普通一顆而已。這種思想對於羅馬教會來講簡直是“混賬言論”,最終布魯諾同他的前輩一樣,被教會燒死。
之後一位占星師第谷的學生開普勒登場了,他繼承了第谷的研究成果,在此基礎上提出了著名的開普勒三大定律。
第一定律:太陽系所有行星的運行軌道都是橢圓形,而太陽就處在橢圓的一個焦點上。
第二定律:行星圍繞太陽運行的速度並不固定,距離太陽近時速度就更快,不過單位時間裡行星掃過太陽的面積是相等的。
第三定律:行星公轉週期的平方與軌道半長軸的立方成正比。
開普勒三大定律爲之後牛頓提出萬有引力定律,以及牛頓運動第二定律,第三定律提供了堅實的基礎!
當然,牛頓所說的“巨人”不僅僅有開普勒,還有伽利略。
伽利略對周圍事物的運動有着敏銳的洞察力,他察覺到了萬物一個非常重要的運動規律。如果一個物體沒有受到任何外力作用,那麼該物體會永遠保持最初的狀態,要麼永遠靜止,要麼永遠做勻速直線運動。
這其實就是慣性定律,只不過伽利略沒有明確提出了。
接下來纔是牛頓登場的時候,在開普勒三大定律以及伽利略的“慣性思想”,牛頓終於提出了著名的萬有引力定律。
牛頓思考的問題其實一點也不復雜,普通人都能想到這樣的問題,只不過人們太習以爲常了,早就被每天的所見束縛住了思維。牛頓思考的問題就是:爲什麼地球的運動不是勻速直線運動?
當時的人們已經知道地球圍繞太陽做橢圓運動,並不是勻速直線運動。但是在太空運動的地球看起來沒有受到任何外力作用啊,也就是說,地球本應該做勻速直線運動,但現實情況並不是這樣的,這說明地球肯定受到了某個外力作用。
這個外力作用到底來自哪裡呢?是來自太陽嗎?
而蘋果落地的故事給了牛頓很大的啓發,觸發了他的靈感,大膽提出了外力作用來自太陽,萬有引力定律呼之欲出。
牛頓認爲,地球就像落地的蘋果那樣,也就是說,地球本應該也會落向太陽的,不用的是地球誕生之日起就有一個很大的初速度,這個初速度保證地球一直朝着太陽墜落,但並不會真的墜落到太陽上。
牛頓結合開普勒定律,提出了萬有引力定律公式。
但是人們對於引力的認知,纔剛剛開始。萬有引力看上去確實很美,很簡潔,但有一個更基本的問題擺在牛頓面前:引力到底是如何產生的?
牛頓當然也知道如果不能解釋這個問題,萬有引力就有致命的缺陷。但是這個問題對於牛頓來講太深奧了,沒有人否定牛頓的偉大,但再偉大的人也無法突破時代的侷限性。因此牛頓給出的答案就是:不知道,或者說“只有上帝才知道”。
牛頓本人當然不甘心,但這也沒有辦法。我們也不能強求一個人能思考出幾百年以後的理論。
但正是這個問題,爲廣義相對論的創建埋下了伏筆。接下來就是老愛,也就是愛因斯坦同志登場了。
在愛因斯坦登場之前,還有必要簡單介紹一下牛頓對引力的深入思考。雖然不知道引力到底是如何產生的,但牛頓也深入思考過兩個物體之間的引力作用,思考過引力是如何傳遞的。
比如說,日常生活中,你要搬動任何東西,首先要接觸到這個東西,比如說搬一張桌子,當然要接觸這張桌子,才能對桌子施加力,你不可能“隔空取物”。也就是說,力的傳遞是需要介質的,搬桌子時,手就是介質。而你吹蠟燭時,空氣就是介質。水的振動能影響到水面的物體,水就是介質。
也就是說,任何力的傳遞都需要介質,那麼牛頓自然也認爲引力的傳遞同樣需要介質。
但是牛頓發現,浩瀚宇宙中兩個天體如此遙遠,兩者之間的引力傳遞是靠什麼介質呢?思來想去,最終牛頓還是藉助了古人的思想,提出“以太”就是引力傳遞的介質,以太充滿了整個宇宙,但是看不見摸不着。
而正是這個所謂的“以太”概念,在19世紀末20世紀初,幾乎把整個物理學界攪得天翻地覆。
長話短說,在尋找“以太”證據的過程中,物理學家們發現以太根本就不存在。而既然以太不存在,就意味着引力就成了“超距作用”,也就是說,引力的傳遞是瞬間完成的,不需要任何時間,這樣的結論恐怕牛頓本人也不願意接受吧。
直到愛因斯坦提出偉大的廣義相對論,用時空彎曲來詮釋引力的本質,才徹底解決了引力的傳遞和介質問題。
按照時空彎曲理論,壓根就不存在什麼引力和以太的概念,所謂的引力只是表象,時空彎曲纔是本質。有質量的任何物體都會導致時空彎曲,但只有大質量天體對時空的彎曲才更明顯,而物體在彎曲的時空中運動,自然就會沿着彎曲的時空做“測地線”運動,體現出來的就是引力。
對於時空彎曲,很多人會有誤解,其實這種誤解多半都是網絡上的示意圖造成的。網絡上的示意圖多半是這樣描述時空彎曲的,就彈簧牀那樣,把一個重物放在彈簧牀上,就會發生彎曲,向下的彎曲。
於是很多人就會認爲:看到了吧,彈簧牀之所以彎曲,就是因爲引力的存在。如果在太空中,彈簧牀感受不到重物的引力,就不會彎曲。言外之外,很多人會認爲是引力導致了時空彎曲,而不是時空彎曲導致了引力。
其實這是對時空彎曲的誤解,網絡上的示意圖其實並不嚴謹,只是爲了更通俗地讓大家理解時空彎曲。實際上時空彎曲不可能是朝下的,因爲太空中根本就不存在“上下”的概念,真正彎曲的方向是朝着物體的質心,也就是說,時空彎曲是四面八方同時彎曲的。
至於有質量的物體爲什麼會造成時空彎曲,我們並不清楚,愛因斯坦也不知道,只知道時空彎曲確實存在,這個問題只能等待後人的解答了,目前也只能像牛頓對於引力本質的描述那樣:只有上帝知道!