愛因斯坦認(rèn)為 “萬有引力是不存在的”,這一觀點(diǎn)乍聽之下令人困惑不已,畢竟在日常生活中,我們時(shí)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(diǎn)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(rèn)知。 牛頓于 17 世紀(jì)提出,萬有引力定律表述為:F=GMm/r2。 這意味著,兩個(gè)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(yùn)動(dòng)等,并且在許多科學(xué)研究和實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。 例如,三個(gè)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),讓人們對宇宙的運(yùn)行規(guī)律有了初步的、較為準(zhǔn)確的認(rèn)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(yùn)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(rèn)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(shí)空的扭曲。 為了更好地理解這一概念,我們可以想象一個(gè)場景:把一塊石頭丟進(jìn)平靜的水中,或者一條魚在水中游動(dòng),它們都會對水產(chǎn)生漣漪或漩渦,進(jìn)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(shí)空產(chǎn)生擾動(dòng)。 這種擾動(dòng)所呈現(xiàn)出的現(xiàn)象就是時(shí)空旋渦或者時(shí)空陷阱,處于這個(gè)范圍內(nèi)的物體的運(yùn)動(dòng)都會受到影響,表現(xiàn)為相互掉進(jìn)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(shí)空旋渦就越大且越猛烈,當(dāng)小物體經(jīng)過時(shí),就容易被卷入這個(gè)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(shí)空彎曲,還能夠影響通過的光線。愛因斯坦曾預(yù)言,遠(yuǎn)方恒星的光線經(jīng)過太陽附近時(shí)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(shí)。 1919 年,為了證實(shí)時(shí)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(yuǎn)征隊(duì),分別前往西非普林西比和亞馬遜森林這兩個(gè)日全食的最佳觀測地點(diǎn)。 愛因斯坦預(yù)言,星光經(jīng)過太陽邊緣時(shí),會產(chǎn)生 角秒的偏差。然而,由于太陽光線過于強(qiáng)烈,在平時(shí)根本無法驗(yàn)證這一微小的偏差。 只有在日全食發(fā)生時(shí),才有可能觀測到這種現(xiàn)象,這便是愛丁頓帶領(lǐng)遠(yuǎn)征隊(duì)前往最佳觀測點(diǎn)的原因。最終,他們在日全食的最佳時(shí)刻,成功觀測并證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言。 當(dāng)愛丁頓通過電報(bào)將這個(gè)消息告知愛因斯坦時(shí),愛因斯坦詼諧地回應(yīng):“我一點(diǎn)也不驚訝,因?yàn)槿绻麥y到的不是這樣,對上帝來說就太遺憾了。” 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(shí)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(shí),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(dòng)了人類科技文明的進(jìn)步。 以時(shí)間膨脹效應(yīng)為例,根據(jù)廣義相對論,引力會導(dǎo)致時(shí)空彎曲,而空間的變形會引發(fā)時(shí)間的變化,這意味著時(shí)空在不同的坐標(biāo)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(shí)間膨脹效應(yīng),即速度越快,時(shí)間流逝越慢;在重力系統(tǒng)中,重力越大,時(shí)間流逝同樣越慢。 這兩種時(shí)間膨脹效應(yīng)在實(shí)際觀測和運(yùn)動(dòng)中都必須予以考量,否則將無法獲得精準(zhǔn)的結(jié)果。 例如,現(xiàn)代發(fā)射衛(wèi)星、探測器以及進(jìn)行宇宙航行時(shí),都需要進(jìn)行時(shí)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(shí)速 萬公里的速度運(yùn)行,其所處的重力環(huán)境比地球表面小,因此衛(wèi)星時(shí)間每天比地表流逝要快45微秒;同時(shí),由于高速運(yùn)行,時(shí)間每天又會流逝慢7微秒。綜合來看,衛(wèi)星時(shí)間每天要比地表快38微秒。 雖然這一微小的時(shí)間差異在日常生活中幾乎可以忽略不計(jì),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(jìn)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(jìn)行震動(dòng)頻率的調(diào)整,以確保天地時(shí)間的精準(zhǔn)一致,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航。 實(shí)際上,愛因斯坦并非認(rèn)為萬有引力真的不存在,而是對萬有引力的本質(zhì)進(jìn)行了更為深入的探究和更精準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)引力等極端條件下,展現(xiàn)出了更強(qiáng)的解釋力和預(yù)測能力。 |
|