重力。一般人在日常生活中可能不会去想它,但是重力影响着我们的一举一动。
由于重力,我们下落(而不是上升),物体掉落到地板上,我们在空中跳跃时不会飞入太空。
从我们出生的那一天起,我们就好像被这股无形无处不在的力量束缚在了地球表面。
但物理学家一直在思考引力。对他们来说,引力是一个需要解决的谜题,才能充分理解宇宙的运作方式。那么,什么是地心引力呢?它从何而来?
牛顿解释万有引力
我们从艾萨克·牛顿和他的万有引力定律中知道,宇宙中任何两个物体都对彼此施加引力。这种关系基于两个物体的质量和它们之间的距离。
两个物体的质量越大,它们之间的距离就越短,它们对彼此施加的引力就越大。
我们还知道,重力可以作用于复杂系统中的多个物体。例如,在我们的太阳系中,太阳不仅对行星施加引力,使它们保持在轨道上,而且每个行星也对太阳施加引力,所有其他行星也不同程度地基于它们之间的质量和距离彼此之间的距离施加重力。
引力超越了我们的太阳系,事实上宇宙中每一个有质量的物体都会吸引另一个有质量的物体,同样,所有这一切都在不同程度上取决于质量和距离。
爱因斯坦对引力的解释
阿尔伯特爱因斯坦用他的相对论解释引力不仅仅是一种力:它是时空连续体中的曲率。
这听起来像是科幻小说中的东西,但简单地说,物体的质量会扭曲它周围的空间。这通常被描绘成一个重球搁在橡胶板上,随着橡胶板因重球的重量而翘曲,其他较小的球落向较重的物体。
其实我们无法直接看到空间的曲率,但是我们可以在物体的运动中察觉到它。
任何被另一个天体的引力“俘获”的物体都会受到影响,因为它穿过的空间是弯曲的朝向那个物体,就像自行车绕着赛道旋转一样。
我们还可以看到引力对光的影响,这种现象被称为引力透镜效应。如果太空中的物体足够大(例如大型星系或星系团),它可能会导致直光束围绕它弯曲,从而产生透镜效应。
但为什么会出现这些影响我们无法完全解释。引力除了是空间的属性外,还是一种力(但它是四种力中最弱的一种),它也可以是一种粒子。
一些科学家提出,被称为引力子的粒子可以使物体相互吸引。但是从未观察到引力子。另一种观点认为,引力波是物体受外力加速时产生的,引力波已经被探测到。
我们对引力的理解在非常小和非常大的层面上都有所不同:在原子和分子层面,引力停止工作。如果不彻底分解数学,我们就无法描述黑洞的内部,也无法描述大爆炸的时刻。
引力如何工作的二维动画
终于
主要问题是我们对粒子物理学和引力几何学的理解是不完整的。
从对事物为什么会下落的基本哲学认识,到伽利略开始逐渐开始用数学来描述事物,到开普勒描述行星运动的方程组,到牛顿物理定律的形成,再到爱因斯坦的相对论,我们一直在构建和建立更全面的引力观。
但我们还没有完成,我们知道仍然需要某种方法将量子力学和引力结合起来,并能够写出描述黑洞中心和宇宙最早时刻的方程。但我们还没有。
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