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茍利軍:引力和時空的認識歷史(2)

摘要:引力最早是牛頓在17世紀提出的。牛頓當時認為,是質量導致了引力,并在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中說到:“絕對空間,就其本性來說,與任何外在的情況無關。始終保持著相似和不變?!?然而,眾多的觀測事實表明,牛頓的時空觀是不對而且不存在的。1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,對于引力有了全新的認識,認為是時空的彎曲導致了引力。讓我們與茍利軍一起去了解引力和時空的認識歷史。

引力最早的提出者是牛頓,他是在17世紀提出來的。大家現在知道的故事是,有一天牛頓坐在蘋果樹下,正在想問題,突然間一個蘋果砸中了他,從而讓他意識到了世間的萬物之間都存在著相互吸引力,我們把它稱之為萬有引力。而牛頓的當時對引力有著非常深刻的認識,他認為是質量導致了引力的存在,而且他給出了對應質量所對應的逃逸速度。如果我們要想擺脫地球的引力,就需要具備一定的速度,我們把這個速度叫做逃逸速度,對于我們地球而言,這個速度大約是11公里/秒。如果一個物體的速度超過11公里/秒,那就完全可以擺脫地球的吸引力?,F在一些小型的地外探測器的速度都會超過這個速度,這樣才能逃脫地球,最終去探尋或者探測其他的星球。

牛頓當時認為,質量導致了引力。同時他對于空間和時間也有著一定的認識??臻g是用來描述物體的位置或者說位形的,而時間是描述事件發(fā)生的順序。比如說,我們知道有些事情是昨天發(fā)生的,有些事情是今天發(fā)生的,就是說時間代表了事件發(fā)生的次序。牛頓當時是怎么認識的呢?他認為,時間和空間是絕對的,與物體的運動是沒有關系的。這一點他在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書當中就闡述得非常清楚。

總而言之,他認為時空是完全絕對而且相互獨立的。盡管我們知道牛頓的萬有引力是經典力學的基礎,而且完美解釋了天體運動非常多的現象,但是后來的眾多觀測實驗發(fā)現,牛頓的這種時空觀是不對的。1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論,在這個理論當中有一點非常關鍵,他做了一個非常重要的假設,也就是光速不變原理。什么叫做光速不變原理?比如,一個人坐在一列火車上,如果火車的速度是2公里/秒,同時這個人在火車上以1公里/秒的速度跑步,最終地面上的人去看這個火車上的人跑步的速度,應該是兩個速度疊加,就是說3公里/秒。但是愛因斯坦提出了與我們的常識不一樣的觀念,他認為,光速不管在任何的情況之下都是不變的。比如,一個手電在我們靜止的時候打開,假設它是最大速度,不考慮一些介質的影響,是以30萬公里/秒的速度傳播的;另外,如果有一輛汽車,它運動的速度特別快,假設是20萬公里/秒,那如果汽車突然把大燈打開了,按照我們已有的經驗,旁邊靜止的人去看打開的大燈的光所傳播的速度,應該是20萬加30萬公里/秒。但是愛因斯坦卻說,不管一個物體有沒有運動,光最終的傳播速度都是30萬公里/秒,盡管現在汽車在以20萬公里/秒的速度行駛,但是汽車上所產生的光的速度,最終我們觀測到的還是30萬公里/秒。

圖片2

圖片2

正是因為這個簡單的假設,導致上圖(圖片2)中時間和空間聯系到了一起。只有在黃色區(qū)域的光椎之內,我們才可以到達或者實現。其他比如綠色的星星的范圍,是我們根本沒辦法到達的,這已經相當于超過了光速。在狹義相對論當中還沒有考慮到引力,所以在1905年狹義相對論提出來之后,愛因斯坦就進一步想把引力也完全包含進去。在1915年的時候,他又提出了廣義相對論。廣義相對論對于引力有了全新的認識,或者說是另外一種跟當時牛頓不太一樣的認識。他們認為,是時空的彎曲導致了引力。彎曲的時空產生了加速度,從而產生了引力。

責任編輯:葉其英校對:李天翼最后修改:
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