别怀疑,是万有引力将我推向你!

  

你是否听过《万有引力》这首歌?汪苏泷在这首歌中唱道“牛顿说过有种东西叫万有引力,我因为你开始相信,那些大道理……”在这首歌里,万有引力是一种情感的引力,但在现实生活中,它却无所不在。

万有引力知多少

提起万有引力,人们总会想起牛顿和苹果树的故事。万有引力全称万有引力定律,为物体间相互作用的一条定律,它的提出是人类科学史上一个很大的进步,它既解释了之前无法解释的很多物理现象,又打开了很多未知领域的大门。

1687年,牛顿在他出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出了万有引力定律——任何物体之间都有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比,而与它们之间距离的平方成反比。如果用m₁、m₂表示两个物体的质量,r表示它们间的距离,则物体间相互吸引力为,即万有引力等于引力常量(G)乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。引力常量值约为:

是英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许通过扭秤实验测得的。

牛顿及其著作 《自然哲学的数学原理》副本

(图片来源/维基百科)

万有引力的发现是17世纪取得的自然科学伟大的成果之一,它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展产生了深远影响。

万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律,而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为,月球除了受到地球的引力外,还受到太阳的引力,从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等;另外,他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。后来,科学家们更是根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。‍

物体之间为何会有引力

虽然牛顿的万有引力定律很好地解释了地面上物体所受的重力、海洋的潮汐和行星与天体的运动,把天上的运动和地上的运动统一了起来,但让牛顿感到遗憾的是,他一直没能解释清楚两个有质量的物体之间为什么会产生引力。这个问题被爱因斯坦的广义相对论很好地解决了。

万有引力定律把天体运动和地面上物体运动统一起来

广义相对论认为,一个有质量的物体,会使它周围的时空发生弯曲,在这个弯曲的时空里,一切物体都将自然地沿测地线(也叫作“短程线”)运动,并表现为向一块靠拢。我们看不到时空的弯曲,只看到物体在互相靠拢,就认为它们之间存在着一种万有引力,实际上物体之间表现出来的这种万有引力,并不是一种真正的力,而是时空弯曲的表现。

时空弯曲示意图

四维时空的弯曲我们不好想象,但是可以降一维(在二维平面上)做个比喻。设想有一块布,把它悬空展平,上面放一个小球,它就会把布压弯,在另一个地方再放一个小球,它也会把它周围的布压弯。我们看到,这两个小球还会自然地向一块靠拢,这是它们在沿各自的测地线运动的结果。我们看不到布的弯曲,只看到小球在向一起靠拢,它们之间有个引力存在,其实它只是时空弯曲的表现而已。

这种解释在水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、引力红移等问题上得到了很好的检验,其后又在大量更精密的实验中得到了进一步的检验,与实验符合得很好。因此,广义相对论被认为是一种最好的万有引力理论。‍

引力的本质:时空弯曲

1915年,爱因斯坦在他的广义相对论中对万有引力本质做出了解释,他认为,万有引力并不真实存在,引力只是一种假象,它的本质是质量会对周围时空造成弯曲。为了验证爱因斯坦的猜想,1919年5月底,科学家利用日全食进行了著名的星光偏转实验。

日全食时,人们可以直接观测到太阳背后的恒星;

英国天文学家亚瑟•爱丁顿拍摄到的 1919年

5月29日日全食(右上)(图片来源 / 维基百科)

通常情况下,太阳背后的恒星发出的亮光会被太阳遮挡,但日全食时,在昏暗的条件下,太阳背后恒星发出的光线却可以通过太阳引力偏折后传递到地球上,人类这时便能直接观测到太阳背后的恒星。如下页图所示,实线是光线传播轨迹,虚线是地球上人类观察到恒星位置的虚像。利用爱因斯坦的引力场公式,人们计算出的数据和实际观测到的结果完全一致,而利用牛顿万有引力定律计算出的偏折角和位置,则与实际数据相差一半以上,误差较大。

也因此,科学家认为爱因斯坦对引力本质的解释更科学。但这并不代表牛顿的万有引力定律是错的——它只是有一定的适用范围,只能适用于弱引力场,在强引力场中会失效。

此后,科学家们又从日全食中得到更多星光偏移的数据,进一步表明了爱因斯坦理论的正确性——时空弯曲才是引力的本质。‍

本文来自《知识就是力量》杂志,原标题《“魔力”无边的万有引力》,作者徐海、楚婉苓 、杨敏、公明,有删改,原创作品转载请注明来源。

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