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茍利軍:引力和時(shí)空的認(rèn)識歷史(3)

摘要:引力最早是牛頓在17世紀(jì)提出的。牛頓當(dāng)時(shí)認(rèn)為,是質(zhì)量導(dǎo)致了引力,并在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(guān)。始終保持著相似和不變?!?然而,眾多的觀測事實(shí)表明,牛頓的時(shí)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(rèn)識,認(rèn)為是時(shí)空的彎曲導(dǎo)致了引力。讓我們與茍利軍一起去了解引力和時(shí)空的認(rèn)識歷史。

我們在日常生活當(dāng)中或許會有這樣的印象,不同質(zhì)量的物體放到一個(gè)平直的橡膠膜上的時(shí)候,對于橡膠膜所造成的彎曲是不太一樣的。質(zhì)量比較大,造成的彎曲就比較大;如果質(zhì)量比較小,那造成的彎曲肯定就比較小了。

圖片3

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那同樣的,我們可以想象,宇宙也是由時(shí)空構(gòu)成的,不同質(zhì)量的天體也會造成時(shí)空的彎曲。在這里(圖片3)列出來的三個(gè)天體——太陽、中子星、黑洞,它們的質(zhì)量是不太一樣的。黑洞密度最大的,所以最終它造成的彎曲是最明顯的。如果有一個(gè)物體在這個(gè)彎曲的空間上運(yùn)動,那自然就會感受到這個(gè)彎曲空間所造成的加速度,從而表現(xiàn)為所謂的引力。這就是愛因斯坦在廣義相對論當(dāng)中所提到的等效原理。也就是說,重力場(一個(gè)質(zhì)量所導(dǎo)致的引力)和適當(dāng)加速度運(yùn)動所產(chǎn)生的引力,這兩者之間是等效的,我們是不能夠區(qū)分出來的。

圖片4

圖片4

下面是一個(gè)簡單的例子。比如上圖(圖片4),有一個(gè)物體,它對于時(shí)空造成了彎曲,那周圍我們放置一些不同的物體的時(shí)候,它是怎么運(yùn)動的呢?盡管這些物體是想沿著它想象當(dāng)中的直線去運(yùn)動,但是因?yàn)榭臻g是彎曲的,所以最終它會表現(xiàn)為圍繞著這個(gè)天體在運(yùn)動。這就是我們所知道的萬有引力,比如說地球圍繞著太陽運(yùn)動。這其實(shí)是因?yàn)樘栐斐闪诉@個(gè)時(shí)空的彎曲,盡管地球在每一時(shí)刻都想沿著一個(gè)直線去運(yùn)動,但最終表現(xiàn)出來的就是一條曲線。在這里有一個(gè)測地線,因?yàn)橹本€其實(shí)并非在彎曲空間當(dāng)中最短的距離,而在彎曲空間當(dāng)中最短的距離,我們稱之為測地線,測地線其實(shí)往往是彎曲的。怎么理解呢?比如要從北京到紐約,最短的距離并不是任何一條直線,最短的距離是沿著地球的大圓圈上的一小段,我們想象是一條直線,但是如果把最終經(jīng)過的路線投影到一個(gè)二維的平面上去看,就會看到這個(gè)最短的距離其實(shí)是一條曲線。這個(gè)曲線其實(shí)就是指測地線。

責(zé)任編輯:葉其英校對:李天翼最后修改:
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