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    地球引力-宇宙引力到底来自哪里?就连爱因斯坦都不是绝对正确!

    2021-10-08 12:33:17

    来源:百度百家号作者火星科普   作者:风中百合

    阅读:315

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    [摘要] 17世纪,牛顿发现天上天体的运动和地球上的苹果落地,都是同一个力在起作用——引力。结合开普勒行星运动三大定律和牛顿运动定律,牛顿推导出了万有引力定律的数学表达式,发现了引力的存在。只要有质量,万物之间都存在引力作用,其大小与距离的平方成反比,与质量成正比。之所以宇宙中能够存在地球、太阳,甚至银河系、本
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    17世纪,牛顿发现天上天体的运动和地球上的苹果落地,都是同一个力在起作用——引力。结合开普勒行星运动三大定律和牛顿运动定律,牛顿推导出了万有引力定律的数学表达式,发现了引力的存在。

    只要有质量,万物之间都存在引力作用,其大小与距离的平方成反比,与质量成正比。之所以宇宙中能够存在地球、太阳,甚至银河系、本星系群这样巨大的天体,是因为引力起到了支配作用。不仅如此,引力还支配着天体的运动。

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    不过,牛顿的引力理论并没有告诉我们引力的本质是什么,引力是怎么产生的。那么,引力到底来自哪里呢?

    自那之后的很长时间里,这个问题并没有什么进展。直到20世纪初,爱因斯坦创立广义相对论之后,引力问题才取得重大突破。爱因斯坦从完全不同的角度来看待问题,他的广义相对论成为继牛顿万有引力定律之后最成功的引力理论。

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    爱因斯坦认为,引力并非一种传统意义上的力,而是一种源自于几何的效应。空无一物的宇宙空间本来是平坦的,但如果存在质量体,空间就会被压弯。空间的结构被压弯之后,无论是其他物体,还是光子,都会沿着弯曲的空间运动,于是表现出了万有引力。

    基于这样的原理,爱因斯坦创立了引力场方程,该方程组能够比牛顿引力理论更好地描述宇宙中的各种引力现象。通过观测实验表明,遥远的恒星光经过太阳附近时,出现的偏折角度完全符合广义相对论的计算结果,而万有引力定律的预言值小了一半。

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    不仅如此,广义相对论还能预言此前未知的引力现象,例如,黑洞、引力波、引力时间膨胀效应,这些都已经被相继发现。尽管如此,爱因斯坦的广义相对论也是有局限的,并非是终极的引力理论。因为它无法解释奇点问题,也无法与描述微观世界的量子理论相互兼容。

    因此,即便是爱因斯坦也没有找到引力的本质。爱因斯坦对引力的几何效应描述可能只是引力本质的一种近似,只是这个近似在很大程度上符合引力的本质,可以很好地描述宇宙中的各自引力现象。

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    为了得到终极的引力理论,就需要结合广义相对论和量子力学。目前,比较有希望的大统一理论主要有两个,一个是量子引力理论,还有一个是弦理论。

    根据量子引力理论,引力就像另外三个基本自然力那样,其产生机制源于一种无静质量且速度为光速的基本粒子——引力子。不过,目前物理学家还没有找到引力子的任何证据,而且量子引力理论在数学上还没有做到自洽。

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    弦理论最被寄予厚望,因为它在数学上是自洽的。弦理论认为,宇宙中的各种粒子都可以进一步分割成不同振动方式的一维能量弦。在四维时空的基础上,扩展出更高的维度,最高到十一维空间,由此就能很好地统一广义相对论与量子力学。但由于弦理论的效应出现在能量极高的情况下,目前的粒子加速器还无法实现。


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