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万有引力
“引力”上宇宙中最重要的作用力之一,同时引力也是四大基本力中最让人疑惑的一个,除了引力之外的三种基本力都可以用量子力学来解释,唯独引力无法用量子力学来解释。
比起其他的三种基本力,引力是自然界中最常见最普遍的一种力,简单来说引力就是“任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力”,在17世纪的时候,人们已经意识到,自然界中存在很多不同的力,比如说“摩擦力”“空气阻力”“电力"还有引力和重力,但是当时的人对这些力的认知不够清晰,无法准确判断它们之间的关系。
就在这个时候,一位天才出现了,他就是牛顿,一个改变了人类文明的全才,他是近代物理学之父,还被认为是现代科学的开创者,他第一个认识到了引力的存在,把一些现象归纳进入引力的范围内,并最终提出了“万有引力”这个概念,万有引力概念诞生后,促使人类科学发生了一场革命,经典力学也随之诞生,一个属于物理学的时代降临。
牛顿的万有引力直接引起了一场科学革命,这个定律把地球上物体的运动和宇宙中天体的运动统一了起来,这大大增加了科学研究者的信心,也证明了人类可以用知识去解释宇宙中的万物,而是不是面对满天星辰只能感叹它们的神奇,万有引力在一定程度上影响了神学对思想的束缚,给人们在计算天体轨道的时候提供了一个切实可行的计算方法。
利用万有引力公式和开普勒第三定律,我们可以计算出太阳和地球这些天体的质量,牛顿还成功的解释了潮汐现象,也解决了地球两极为什么是扁平的,甚至还解释了复杂的地轴运动,这些都让基础物理学向前迈进一步。
不过牛顿提出万有引力定律可不是一件简单的事情,并不是被苹果砸到头部就开窍了,牛顿从离心力—向心力—重力—万有引力的研究过程差不多用了二十年,才逐渐完善相关的数据和计算。随着牛顿的理论逐渐完善,经典力学也随之诞生,20世纪之前,经典力学在物理学界占据主导性的地位,直到相对论和量子力学诞生后,人类的物理学基础理论逐渐改变,从经典力学转变到了相对论和量子力学。
不存在十全十美的理论,牛顿的经典力学同样存在很大的局限性,最大的一个问题就是引力的传播速度,牛顿的万有引力定律需要重力可以在瞬间传播,这就代表地球发出的重力是一种“超远距离”作用力,不论是经典力学还是相对论又或者是量子力学,都否认超远距离作用的存在,牛顿虽然用数学语言成功的描述了万有引力定律,却无法解决什么运动产生重力,对此避而不谈。
经典力学的局限性,让这个理论只能在低速、宏观、弱引力的情况下适用,也就是我们日常生活中的普遍情况,但是在探索宇宙的过程中,科学家逐渐发现,在物体高速运动的时候经典力学就不再适用,其次在微观到一定程度的时候,经典力学也会失效,其次在引力效应比较强区域,经典力学也不准确,而这就促使了新的理论诞生,爱因斯坦重新定义了引力,解释了高速状态和强引力场时的难题,而量子力学解释了微观物体的运动规律,所以这两个理论才代替经典力学成为了人类的物理学基础理论。
爱因斯坦就是继牛顿之后另外一个划时代的天才,牛顿塑造了现代科学,同时也帮助现代物理学打下了坚实的基础,而爱因斯坦填补了牛顿的错误,把物理学大厦修建的更加完美,他的广义相对论解决了牛顿万有引力无法解决的难题,同时爱因斯坦也是量子力学的奠基人,现代物理学几乎是在他的帮助和见证下逐渐完善的。
引力——时空的弯曲
万有引力指出了万物之间都存在吸引力,但是却不能清楚的描述引力到底是什么,爱因斯坦认为,引力从严格意义上来说并不是一种“力”,而是我们宇宙时空展现出来的一种性质,是物体的质量对时空造成的影响,更直观一点形容的话,引力就是“时空弯曲”。
任何物体都存在质量,物体的质量越大密度越高,产生的引力就越强,爱因斯坦认为物体在时空中存在的时候,会不可避免的对时空造成影响,就像是一个铁球被放在海绵上,会把海绵压的向下塌陷一样,物体在时空中也会导致周围的时空弯曲,物体的质量和密度越高,造成的时空曲率就越强,其他物体在靠近的时候就会被时空曲率影响,“引力”也就诞生了。
爱因斯坦的相对论是对牛顿力学的颠覆,想要走出这一步可不容易,当时很多物理学家其实都发现了经典力学的局限性,但是没有一个人感站出来去质疑牛顿的理论,而爱因斯坦敢于质疑,很多时候所谓的“真理”换一个角度去思考也会存在问题,科学需要永远抱着怀疑的态度,才能距离真正的真理越来越近!