引力導(dǎo)致空間彎曲的科學(xué)原理是什么
有很多的科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)引力能夠?qū)е驴臻g彎曲，這是怎么回事?下面為您精心推薦了引力導(dǎo)致空間彎曲的科學(xué)原理，希望對(duì)您有所幫助。
引力導(dǎo)致空間彎曲的原理
萬(wàn)有引力是牛頓的偉大發(fā)現(xiàn)之一，萬(wàn)有引力定律表述為：任何兩個(gè)物體都是相互吸引的。引力的方向沿著兩個(gè)物體之間的連線，引力的大小跟兩個(gè)物體的質(zhì)量乘積成正比，與它們的距離平方成反比，比例系數(shù)叫作牛頓引力常數(shù)，或者叫萬(wàn)有引力常數(shù)。
牛頓并沒(méi)有告訴我們?nèi)f有引力有什么更深層的起源，也就是說(shuō)，牛頓認(rèn)為萬(wàn)有引力是基本相互作用力。我們并不覺(jué)得這有什么奇怪，例如，電磁力就是電磁力，也不可還原為更加基本的力。萬(wàn)有引力定律十分強(qiáng)大，既可以解釋地球上一切受到地球吸引的物體的運(yùn)動(dòng)，也可以解釋天體的運(yùn)動(dòng)，例如地球如何繞太陽(yáng)做橢圓運(yùn)動(dòng)，月亮如何繞地球做橢圓運(yùn)動(dòng)，還可以解釋潮汐現(xiàn)象，可以解釋銀河系，星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)和起源。
從牛頓到愛(ài)因斯坦之間的250年間，幾乎沒(méi)有人懷疑過(guò)萬(wàn)有引力定律，也沒(méi)有人想修正這個(gè)理論。那么，愛(ài)因斯坦為什么要修改萬(wàn)有引力定律?是他發(fā)現(xiàn)有什么現(xiàn)象萬(wàn)有引力定律解釋不了?還是有什么天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律突然偏離了萬(wàn)有引力定律?或者，愛(ài)因斯坦覺(jué)得萬(wàn)有引力定律背后還有更深的物理原因?
啟發(fā)愛(ài)因斯坦尋找新的萬(wàn)有引力理論的動(dòng)機(jī)有兩個(gè)。第一個(gè)，他的狹義相對(duì)論某種意義上是麥克斯韋電磁理論需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)。愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的第一篇論文的題目就是《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，他想知道不同慣性系之間電磁學(xué)運(yùn)動(dòng)方程之間的關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)在狹義相對(duì)論中，麥克斯韋方程在不同的慣性系里的數(shù)學(xué)形式完全一樣。當(dāng)然，光速本身也是麥克斯韋方程的結(jié)論之一，所以光速不變。因此伽利略相對(duì)性原理對(duì)于麥克斯韋方程是正確的。愛(ài)因斯坦將目光轉(zhuǎn)到萬(wàn)有引力上時(shí)，問(wèn)題來(lái)了。牛頓的萬(wàn)有引力是瞬時(shí)力，萬(wàn)有引力定律不滿足狹義相對(duì)論中的伽利略相對(duì)性原理。這樣，牛頓定律必須修改。
第二個(gè)動(dòng)機(jī)是，為什么慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量有關(guān)?這兩個(gè)質(zhì)量的起源完全不同。慣性質(zhì)量在狹義相對(duì)論中等價(jià)于能量，而引力質(zhì)量是牛頓為了表述萬(wàn)有引力定律引進(jìn)的，不一定就是慣性質(zhì)量。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，要將引力與狹義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)，不可避免地要推廣慣性原理。他花了好幾年一直沒(méi)有找到出路，終于有一天，他興奮地想到，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
為什么這個(gè)簡(jiǎn)單的想法是解決問(wèn)題的關(guān)鍵?這是因?yàn)椋绻|(zhì)量與慣性質(zhì)量完全相等，那么我們就會(huì)看到，在時(shí)空的一點(diǎn)附近所有的點(diǎn)粒子的加速度都是一樣的。如果作為觀測(cè)者的我們也有這樣的加速度，那么依我們自己作為參照系，所有粒子都沒(méi)有加速度，這不是一個(gè)局域的慣性系嗎?在我這個(gè)自由降落的慣性系中，所有物理學(xué)定律和慣性系中完全一樣。于是，我就可以原封不動(dòng)地將慣性系中的物理學(xué)定律寫下來(lái)。那么，在一個(gè)抵抗引力不做自由下落的坐標(biāo)系中，物理學(xué)定律可以通過(guò)“翻譯”自由下落的慣性系中的物理學(xué)定律得到。
由此，愛(ài)因斯坦想到彎曲幾何的類比。取任何一個(gè)曲面，例如球面，在曲面上一個(gè)點(diǎn)的附近，曲面近似是平坦的，這個(gè)“附近”范圍越小，幾何就越平坦。整個(gè)彎曲面的幾何是無(wú)數(shù)這種平坦的幾何拼接成的，有點(diǎn)像足球，每一塊縫制足球的五邊形和六邊形看上去并沒(méi)那么彎，如果將這些小塊皮做得更小一些，就更平了。現(xiàn)在，在引力場(chǎng)中，既然每個(gè)時(shí)空點(diǎn)附近都有局部慣性系，那么我們可以將無(wú)數(shù)局部慣性系“縫制”成一個(gè)彎曲時(shí)空。
慣性系確實(shí)是平坦的，因?yàn)楦鶕?jù)愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，在慣性系中，最關(guān)鍵的不再是空間距離，而是“時(shí)空距離”，這個(gè)時(shí)空距離有某種絕對(duì)意義，如果我們從一個(gè)慣性系轉(zhuǎn)換到相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)慣性系，這個(gè)“時(shí)空距離”不變，但空間距離不再有絕對(duì)意義。所以，愛(ài)因斯坦將彎曲空間推廣為彎曲時(shí)空，他的場(chǎng)方程告訴我們時(shí)空的彎曲與能量以及動(dòng)量有關(guān)。
我們很容易想象彎曲的曲面，這是因?yàn)槲覀兛梢栽谌S空間中直接看球面、環(huán)面等。當(dāng)然，在數(shù)學(xué)理論中，數(shù)學(xué)家完全可以擺脫三維空間研究曲面，只要給出曲面上的長(zhǎng)度度量，曲面的性質(zhì)就決定了。類似兩維曲面，我們可以想象三維彎曲空間，不必將三維彎曲空間放進(jìn)四維空間或更高維空間中。空間彎曲，對(duì)于一個(gè)幾何能力稍好的學(xué)生來(lái)說(shuō)，并不難想象。最后，如何想象彎曲的時(shí)間空間?彎曲的時(shí)間還是好想象的，就是在不同的空間點(diǎn)，時(shí)鐘走得快慢不一樣。愛(ài)因斯坦的彎曲時(shí)空是現(xiàn)代萬(wàn)有引力理論。
引力的科學(xué)原理
引力是質(zhì)量所引起的空間彎曲，運(yùn)動(dòng)力學(xué)第一定律：在沒(méi)有外力的情況下，物體始終保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，假如一個(gè)小球在一個(gè)非常光滑的平面上由西向東運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)路線為A點(diǎn)——B點(diǎn)——最后到達(dá)C點(diǎn)，若在B點(diǎn)附近放下令一個(gè)小球事，就像在一塊海綿上放一個(gè)球，那么這個(gè)球必然會(huì)擠壓迫海綿使之成為以這個(gè)球?yàn)閳A心的凹陷“等同于彎曲的時(shí)空”，當(dāng)我們的主角再經(jīng)過(guò)B點(diǎn)事會(huì)發(fā)生什么?它的軌跡經(jīng)過(guò)凹陷處時(shí)會(huì)改變，向這個(gè)凹陷的中心偏移進(jìn)而偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)路線無(wú)法到達(dá)C點(diǎn)，若這個(gè)凹陷足夠大或小球的初始動(dòng)力不足，它就會(huì)圍繞這個(gè)凹陷做一段弧形運(yùn)動(dòng)后最終被捕獲!
同理，宇宙當(dāng)中的曲線運(yùn)動(dòng)在四維時(shí)空中是直線運(yùn)動(dòng)(三維空間一維時(shí)間)
不同時(shí)空觀下對(duì)于引力是什么的不同解釋：
引力在經(jīng)典物理學(xué)中被認(rèn)為是宇宙中幾大基本力之一，跟質(zhì)量成正比、跟距離成反比。但在愛(ài)因斯坦的理論中引力已經(jīng)不是一種基本力了，而僅僅是時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲后的表現(xiàn)而已。而導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲的原因就是巨大的質(zhì)量。
舉一個(gè)例子：太陽(yáng)系內(nèi)的行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，在經(jīng)典物理學(xué)中的解釋是因?yàn)樾行鞘艿搅颂?yáng)的引力作用，而圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。
但如果運(yùn)用愛(ài)因斯坦的理論，從根本上說(shuō)就沒(méi)有引力。行星在宇宙中本來(lái)應(yīng)該在空間內(nèi)作勻速直線運(yùn)動(dòng)(參見(jiàn)牛頓定律)。但由于太陽(yáng)的存在，其周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)被太陽(yáng)的質(zhì)量壓彎曲了，所以在一定范圍內(nèi)的行星就“被太陽(yáng)俘獲了”，在一個(gè)彎曲的時(shí)空內(nèi)勻速直線運(yùn)動(dòng)就變成了勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從而形成了太陽(yáng)系。
具體到黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強(qiáng)的吸引力，科學(xué)家在解釋這種吸引力的時(shí)候，把它的原因歸結(jié)為空間彎曲。而造成空間彎曲的原因是黑洞本身的巨大質(zhì)量。
所以說(shuō)到引力歸根結(jié)底是和質(zhì)量有關(guān)，萬(wàn)有引力是把引力視為由質(zhì)量引起的一種基本力，而愛(ài)因斯坦相對(duì)論則把引力視為質(zhì)量引起的時(shí)空彎曲的.表現(xiàn)。
量子力學(xué)認(rèn)為,引力是由于兩個(gè)粒子交換引力子導(dǎo)致的。
空間彎曲的理論
愛(ài)因斯坦的推測(cè)
(是推測(cè)不是推論)引力質(zhì)量為零的物體可能也會(huì)在引力場(chǎng)中做一樣的加速度運(yùn)動(dòng)。理由如下：
從以上的論證中，我們看到引力質(zhì)量無(wú)論取值多小，結(jié)論都一樣，這自然讓我們想到將結(jié)果推廣到零引力質(zhì)量。比方說(shuō)一個(gè)引力質(zhì)量為零的物體從恒星旁穿過(guò)時(shí)，我們判斷它的路線也會(huì)發(fā)生彎折，按著和有引力質(zhì)量物體一樣的規(guī)律彎折。其實(shí)零和無(wú)限小之間本無(wú)明顯的差距，為什么一個(gè)引力質(zhì)量無(wú)限小的物體彎折而引力質(zhì)量為零的物體不彎折，它們之間的彎折角度差竟能不依靠靈敏的檢測(cè)就毫不費(fèi)力地分辨開(kāi)來(lái)?
廣義相對(duì)論理論
廣義相對(duì)論理論的解釋是萬(wàn)有引力實(shí)際是另外一種現(xiàn)象的效果，這種現(xiàn)象是廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲，在這種情況下，物體的運(yùn)動(dòng)均沒(méi)有萬(wàn)有引力作用，取而代之的是自由運(yùn)動(dòng)或接觸物體間受動(dòng)量守恒、能量守恒等支配的受力運(yùn)動(dòng)。
其他理論
可能所有具有引力質(zhì)量的物質(zhì)有共同的起源。他們都由同一種基本物質(zhì)構(gòu)成，在這同一種基本物質(zhì)中，引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的比值就已經(jīng)確定了。于是由于兩種質(zhì)量的度量都符合線性性質(zhì)(即兩個(gè)物體放在一起的總質(zhì)量總是等于兩個(gè)物體分別質(zhì)量的和，這一點(diǎn)并不是自然而然的，而是要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的)，所有物質(zhì)的引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量就都成了同一比例。
按照以上的見(jiàn)解，我們上面的那個(gè)推測(cè)就不一定成立了，因?yàn)榱阋|(zhì)量的物體其引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的比值是不確定的。這等于說(shuō)我們可能看到宇宙空間中有的物體絲毫不受引力的作用而直來(lái)直往。
思路
我們的思路已經(jīng)比較明確，因?yàn)榍懊娴挠懻摳嬖V我們，無(wú)論空間是平直的還是彎曲的，小質(zhì)量物體經(jīng)過(guò)時(shí)都會(huì)有彎折。而無(wú)質(zhì)量物體的運(yùn)行路線有兩種可能：
說(shuō)明空間一定是平直的，沒(méi)有彎曲，把空間描述成彎曲的那是質(zhì)量造成的假象。因?yàn)榇藭r(shí)用空間彎曲沒(méi)法解釋。事實(shí)上當(dāng)我們看到空間中任何直來(lái)直往事件時(shí)，都應(yīng)該考慮是不是這種事情發(fā)生了。
不能否定空間彎曲的觀點(diǎn)，也許愛(ài)因斯坦的對(duì)于引力的時(shí)空描述是合理的。大家就都沒(méi)話可說(shuō)了，佩服愛(ài)因斯坦去吧。
結(jié)論
光由光子組成，而光子就是我們想要找的零質(zhì)量物體，這告訴我們?yōu)槭裁匆霉庾隹臻g彎曲實(shí)驗(yàn)。從目前來(lái)看，光的日食觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是比較支持廣義相對(duì)論的。
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