萬物都有引力 為什么引力會導致空間彎曲
水果是個非常不錯的食物,它能夠提供給人們營養,同時也能夠提供人們前進的方向。估計大家都知道萬有引力是怎么被牛頓發現的吧,一個蘋果讓牛頓明白,任何兩個物體都是相互吸引的。可是你們知道為什么引力會導致空間彎曲嗎?其中的原因是什么呢?下面就小編來給大家解答一下疑惑吧。
牛頓并沒有告訴我們萬有引力有什么更深層的起源,也就是說,牛頓認為萬有引力是基本相互作用力。我們并不覺得這有什么奇怪,例如,電磁力就是電磁力,也不可還原為更加基本的力。萬有引力定律十分強大,既可以解釋地球上一切受到地球吸引的物體的運動,也可以解釋天體的運動,例如地球如何繞太陽做橢圓運動,月亮如何繞地球做橢圓運動,還可以解釋潮汐現象,可以解釋銀河系,星系團的結構和起源。
從牛頓到愛因斯坦之間的250年間,幾乎沒有人懷疑過萬有引力定律,也沒有人想修正這個論。那么,愛因斯坦為什么要修改萬有引力定律?是他發現有什么現象萬有引力定律解釋不了?還是有什么天體的運動規律突然偏離了萬有引力定律?或者,愛因斯坦覺得萬有引力定律背后還有更深的物原因?
啟發愛因斯坦尋找新的萬有引力論的動機有兩個。第一個,他的狹義相對論某種意義上是麥克斯韋電磁論需要的運動學。愛因斯坦狹義相對論的第一篇論文的題目就是《論動體的電動力學》,他想知道不同慣性系之間電磁學運動方程之間的關系。他發現在狹義相對論中,麥克斯韋方程在不同的慣性系里的數學形式完全一樣。當然,光速本身也是麥克斯韋方程的結論之一,所以光速不變。因此前面提到的伽利略相對性原對于麥克斯韋方程是正確的。愛因斯坦將目光轉到萬有引力上時,問題來了。牛頓的萬有引力是瞬時力,萬有引力定律不滿足狹義相對論中的伽利略原。這樣,牛頓定律必須修改。
第二個動機是,為什么慣性質量與引力質量有關?這兩個質量的起源完全不同。慣性質量在狹義相對論中等價于能量,而引力質量是牛頓為了表述萬有引力定律引進的,不一定就是慣性質量。
愛因斯坦認為,要將引力與狹義相對論結合起來,不可避免地要推廣慣性原。他花了好幾年一直沒有找到出路,終于有一天,他興奮地想到,慣性質量與引力質量相等是解決問題的關鍵。
為什么這個簡單的想法是解決問題的關鍵?這是因為,如果引力質量與慣性質量完全相等,那么我們就會看到,在時空的一點附近所有的點粒子的加速度都是一樣的。如果作為觀測者的我們也有這樣的加速度,那么依我們自己作為參照系,所有粒子都沒有加速度,這不是一個局域的慣性系嗎?在我這個自降落的慣性系中,所有物學定律和慣性系中完全一樣。于是,我就可以原封不動地將慣性系中的物學定律寫下來。那么,在一個抵抗引力不做自下落的坐標系中,物學定律可以通過&ld;翻譯&rd;自下落的慣性系中的物學定律得到。
此,愛因斯坦想到彎曲幾何的類比。取任何一個曲面,例如球面,在曲面上一個點的附近,曲面近似是平坦的,這個&ld;附近&rd;范圍越小,幾何就越平坦。個彎曲面的幾何是無數這種平坦的幾何拼接成的,有點像足球,每一塊縫制足球的五邊形和六邊形看上去并沒那么彎,如果將這些小塊皮做得更小一些,就更平了。現在,在引力場中,既然每個時空點附近都有局部慣性系,那么我們可以將無數局部慣性系&ld;縫制&rd;成一個彎曲時空。
慣性系確實是平坦的,因為根據愛因斯坦的觀點,在慣性系中,最關鍵的不再是空間距離,而是&ld;時空距離&rd;,這個時空距離有某種絕對意義,如果我們從一個慣性系轉換到相對勻速運動的另一個慣性系,這個&ld;時空距離&rd;不變,但空間距離不再有絕對意義。所以,愛因斯坦將彎曲空間推廣為彎曲時空,他的場方程告訴我們時空的彎曲與能量以及動量有關。
我們很容易想象彎曲的曲面,這是因為我們可以在三維空間中直接看球面、環面等。當然,在數學論中,數學家完全可以擺脫三維空間研究曲面,只要給出曲面上的長度度量,曲面的性質就決定了。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四維空間或更高維空間中。空間彎曲,對于一個幾何能力稍好的學生來說,并不難想象。最后,如何想象彎曲的時間空間?彎曲的時間還是好想象的,就是在不同的空間點,時鐘走的快慢不一樣。愛因斯坦的彎曲時空是現代萬有引力論。