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从牛顿的万有引力到爱因斯坦的时空弯曲,逐步接近引力的本质!

对于万有引力,我们或许早已耳熟能详。众人皆知,有质量之物彼此相吸,此乃引力之核心观念。然而,若仅限于此,对于引力的理解仍显浅薄。

牛顿成就斐然之际,曾有言:“若我所见更远,皆因我立于巨人之肩。”诚如斯言,牛顿之前,众先贤已对万物之运动规律有所探索。

不论是在古代东方或西方,皆有类似“天圆地方”之自然观念。当时人们普遍认为,浩渺星空围绕地心旋转,五彩斑斓的星辰乃神明为凡人装点夜空。

哥白尼之出现,让地心说遭遇前所未有之挑战。哥白尼发现,若所有天体围绕地球旋转,其运动路径将异常复杂。然而,若星球围绕太阳旋转,则显得简单许多。

秉承“非必要,勿增实体”之哲学原则,哥白尼提出日心说。其声名显赫,只因其挑战了神之权威,最终被处以火刑。

哥白尼之后,继任者为布鲁诺,其思想比哥白尼更激进。他不仅赞同日心说,且提出超前之宇宙无限理论,认为宇宙无边无际,太阳仅为众多恒星之一,宇宙间充满无数“太阳”,而地球与人类在宇宙中不过是微小存在。罗马教廷对其“荒谬”之言论大为愤怒,对布鲁诺施以严刑,逼迫其忏悔。终而,布鲁诺如其前人般,不屈不挠,最后被处以火刑。

与布鲁诺同时代者,有占星师第谷,其夜观天象,致力于研究天体之运动,累积大量数据。第谷虽认同天上行星绕太阳旋转,却非哥白尼之追随者,他认为即便行星绕日旋转,太阳亦携众星体绕地球旋转,地球始终居于中心。或许因哥白尼之先例,第谷不得不依附地心说。值得一提的是,第谷之理论传至明朝后,甚至一度被接纳。

第谷之助手、弟子开普勒继承其研究,提出三大定律。

他发现第一定律:所有行星绕太阳之轨迹为椭圆形,太阳位于椭圆之一焦点。

第二定律:行星接近太阳时运动速度加快,远离时则减慢,且单位时间内行星扫过太阳之面积相等。

第三定律:任何两行星之周期T平方与其各自轨道半长轴a立方成正比,常数k=a³/T²。

此乃牛顿前,西方对天体研究之简史。回到地面,伽利略注意到一重要规律:若物体不受外力干扰,则保持初始状态。静者恒静,动者恒动。此为惯性定律之雏形,但伽利略未知其缘由。

此刻,压轴人物登场。牛顿结合开普勒之三大定律与伽利略对惯性之思考,提出震惊世人之万有引力定律。

牛顿疑问:为何地球不在宇宙中作匀速直线运动?显然其未受外力影响,地球绕太阳旋转,必有外力作用。当牛顿目睹苹果落地,顿悟万有引力后,方知太阳亦对地球施加引力。

地球吸引苹果,引力作用下苹果落地。太阳亦对地球施加引力,为何地球不落向太阳?牛顿认为,地球本会落向太阳,但地球有初始速度,在引力作用下偏离原方向,如同平抛运动,因地球初速较大,未能落至太阳表面,从而绕太阳旋转。

结合开普勒定律,牛顿认为两物体距离越远,引力越小;若质量越大,引力越大。于是,引力大小与距离平方成反比,与质量乘积成正比。

为使万有引力与牛顿第二定律F=ma相统一,需一引力常数。后卡文迪许通过扭秤实验精确测量出引力常数G,万有引力公式因此完善。凭借G,人类首次计算出地球质量。

牛顿提出万有引力后,陷入更深问题:引力何以推动?牛顿认为是上帝之手。另一问题亦困扰牛顿,此问题为相对论埋下伏笔。牛顿疑问:宇宙间两星球引力如何传递?生活经验中,移动物体需接触,非凭空移物。手为力之媒介;吹灭蜡烛,乃因气流之力;水面小球,因水之力而动。力之传递需借助物质。

而在宇宙间,星球相隔甚远,彼此间引力如何传递?真空无法传递力,引力作用非超距作用,何者为媒介?牛顿借用亚里士多德之以太概念,认为以太为引力之媒介。牛顿认为:以太这种“物质”使引力传递得以实现。

以太概念曾使后物理学家费尽心力,进行了长达百年之实验,终未找到以太存在证据。迈克耳逊-莫雷实验直接否定以太存在,牛顿万有引力沦为“超距作用”,令物理学界难以接受。牛顿力学在微观领域随着量子力学发展渐失优势。

直至1915年,爱因斯坦提出时空弯曲理论,彻底解决引力媒介问题。在该理论中,引力本身为表象,本质为时空之弯曲。太阳巨大质量造成周围时空异常弯曲,地球在弯曲时空中运动,不得不沿弯曲路径前行。地球如车辆,时空似道路,道路弯曲,车辆轨迹自不例外。故地球似绕太阳旋转,仿佛受一无形之力拉扯。

现今,尽管我们仍沿用牛顿力学,但已将其自神坛拉下,在微观与高速领域中摒弃。当然,在低速、宏观领域,牛顿力学仍发挥重要作用。

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