牛顿的万有引力定律曾长期统治着人们对引力的认知,而爱因斯坦的广义相对论则为我们开启了一扇全新的理解引力本质的大门。
那么,为何有人会认为爱因斯坦觉得万有引力不存在呢?实际上,这是一种误解,爱因斯坦只是对万有引力的根源进行了追根溯源,通过场方程更为精妙地阐释了引力的本质,同时从动态的角度修正了牛顿经典力学中的一些误差,让人类对世界的认识更加接近真实。
牛顿的万有引力定律以简洁而有力的公式F=GMm/r²呈现。
这一定律表明,万有引力F的大小与引力常量G以及相互作用的两个物体M和m的质量乘积成正比,与两物体质心之间距离r的平方成反比。即便在今天,这个定律依然具有强大的生命力,被广泛应用于众多科学研究和实践活动中。例如,三个宇宙速度就是依据引力定律推导换算出来的。正是基于这三个速度,人类才得以成功发射人造天体,摆脱地球引力的束缚,向着浩瀚的太空进发。
然而,牛顿的万有引力定律虽然清晰地揭示了世界上普遍存在的引力现象,并总结出了引力的规律,但它却未能解释引力产生的根源,仅仅停留在 “知其然,不知其所以然” 的层面。爱因斯坦的广义相对论则在这一基础上向前迈出了关键的一步,它认为质量才是引力的真正根源,引力的产生是由于质量对周边时空的扭曲。
为了更好地理解这一概念,我们可以想象一块石头投入水中,或者一条鱼在水中游动的情景。在这些情况下,水会产生涟漪或漩涡,进而影响周围的物质。
同样地,任何物体,无论其大小,都会对时空产生扰动。这种扰动表现为时空漩涡或时空陷阱,处于这个范围内的物体的运动就会受到影响,出现相互 “掉进” 对方 “陷阱” 的现象,而我们所看到的物体之间的相互吸引,就是引力的表现。
一般来说,小质量物体产生的引力非常微弱,很难被观测和测量到;而大质量天体的引力则十分强大,质量越大的天体,其引发的时空旋涡就越大、越剧烈,当小物体经过时,就会被卷入这个旋涡,看起来就像是被大天体吸引过去了。而且,大质量天体的引力漩涡所导致的时空弯曲,甚至能够影响光线的传播。比如,远方恒星的光线在经过太阳附近时,也会发生弯曲。
爱因斯坦的这一预言在广义相对论发表后不久就得到了科学界的证实。
1919 年,英国皇家科学院派遣了以著名天文学家爱丁顿为首的两支远征队,分别前往西非的普林西比和亚马逊森林这两个日全食的最佳观测地点。之所以选择在日全食时进行观测,是因为平时太阳光线过于强烈,根本无法验证星光经过太阳边缘时产生的细微偏差。而在日全食时,太阳被月球完全遮挡,才有可能观测到这种现象。
爱因斯坦预言,星光经过太阳边缘时会产生1.74角秒的偏差。最终,爱丁顿带领的远征队在日全食的最佳时刻,成功观测并证实了爱因斯坦的预言。当爱丁顿通过电报将这个消息告知爱因斯坦时,爱因斯坦诙谐地回应道:“我一点也不惊讶,因为如果测到的不是这样,对上帝来说就太遗憾了。” 这不仅展现了爱因斯坦作为科学大师的自信,也让广义相对论从此声名远扬,成为现代物理学最基础、最前沿的理论之一。
根据广义相对论场论的推导,还产生了许多其他重要的预言,如黑洞、引力波、时间膨胀、引力透镜等等。随着时间的推移,这些预言一个个被证实,并且被广泛应用于航天探测和日常生活中,极大地推动了人类科技文明的进步,使其上升到了一个全新的层次。
那么,爱因斯坦的时空弯曲理论对牛顿的万有引力定律有哪些修正意义呢?
牛顿的万有引力定律是在静态宇宙观的指导下得出的,体现了一种绝对时空观。在低速系统中,这些理论是适用的,但一旦进入高速系统,就会出现误差,甚至可能导致结果相差甚远。爱因斯坦的场论指出,引力会导致时空弯曲,空间发生变形的同时,时间也会随之发生变化,这意味着时空在不同的坐标系中是相对的,而非绝对的。
此外,爱因斯坦在狭义相对论中就已经阐述了高速系统中的时间膨胀效应,即速度越快,时间流逝越慢;在重力系统中,重力越大,时间流逝同样越慢。
速度时间膨胀效应和重力时间膨胀效应在我们进行观测和运动时是必须要考虑的因素,否则我们的观测和宇宙航行就无法达到精准的效果。例如,在现代卫星发射、探测器运行以及宇宙航行中,都必须进行时空的相对论修正。如果不进行这样的修正,就会导致导航不准确,通讯无法正常进行,探测器和飞船也无法到达预定的目的地。
时间膨胀效应遵循着特定的公式。狭义相对论中速度时间膨胀的计算公式为t‘=t/√[1-(v/c)²],其中t‘表示速度时间膨胀效应值,t是低速系观测者记录的第一个时钟时间,v是第二个时钟相对于第一个时钟的移动速度,c为光速。广义相对论中引力时间膨胀的计算公式为t‘=tx√(1-2GM/rc²),其中t’是引力时间膨胀效应值,t是低引力惯性系观测者的时间流逝值,G为引力常数(取值6.67x10^-11N·m²/kg²),M为天体质量,r为天体半径,c为光速。
GPS 导航系统就是一个典型的应用例子。
导航卫星在距离地表2万多公里的高空运行,时速达到1.4万公里。从重力角度来看,卫星所处位置的重力比地球表面小,因此卫星上的时间每天比地表流逝要快45微秒;而由于卫星以这样的速度运行,根据狭义相对论的速度时间膨胀效应,时间每天又会流逝慢7微秒。
综合起来,卫星上的时间每天要比地表快38微秒。虽然38微秒对于我们的日常生活来说几乎可以忽略不计,但对于要求极高精度的导航系统而言,如果不按照相对论进行调整,每天就会积累大约10公里的定位误差,这样的导航系统将无法正常使用。因此,对于卫星上的原子钟,需要在震动频率上进行精确调整,以确保天地时间的精准一致,从而实现精准的定位和导航。
综上所述,爱因斯坦的相对论并非否定了万有引力,更不是认为万有引力不存在,而是通过更深入的研究和思考,让我们对引力的本质以及世界的规律有了更加精准的认识。它是人类科学史上的一座丰碑,为我们理解宇宙的奥秘提供了更为深刻和准确的理论基础。