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引力的本质是时空弯曲,为何引力没有被时空弯曲彻底取代?

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爱因斯坦的广义相对论,确实用时空弯曲代替了引力,把引力描述成时空弯曲的表象,时空弯曲才是引力的本质。但这并不意味着我们就用不到引力了,现实中恰恰相反,我们不但离不开引力,而且仍然被引力统治着。



原因很简单,牛顿力学下的万有引力体系更贴近我们的现实生活,也更容易被我们理解和掌握,那微小的误差根本不会给人们日常生活造成什么影响。

有一句俗话是这么说的“不管黑猫白猫,只要抓着老鼠就是好猫”。这句话的适用范围很广,对于科学理论也很适用。不管什么理论,只要具有很强的现实指导意义和价值,那就是好理论。

而爱因斯坦的广义相对论和牛顿的万有引力理论,都具有很强的现实指导意义,只不过指导的范围和领域不同罢了。



简单讲,广义相对论适用于引力场更强的宇宙领域,在研究大型天体的运动规律,探索浩瀚的宇宙时让科学家们更加得心应手。

而牛顿的万有引力定律更适用于低引力场和低速世界,这正是我们生活的世界,在这样的世界里,万有引力与广义相对论是一致的。

也就是说,万有引力定律其实只是广义相对论在低速低引力情况下的近似解,它没有广义相对论精确,但是在低引力世界里两者相差微乎其微,完全可以忽略不计。



万有引力定律能解释的,广义相对论都能解释。但反过来就不行了,广义相对论能解释的,万有引力定律就未必能解释。

你可能会问了,既然广义相对论比万有引力更精确,我们为什么不直接抛弃牛顿的万有引力定律,直接用广义相对论不就行了?

科学虽然是很严谨的,但它同时也必须讲究实用性,因为科学最终要回到人们日常生活中,为人们服务,否则科学就没有任何指导意义。



再看看爱因斯坦广义相对论的引力场方程和牛顿万有引力定律公式,哪个更简单呢?



很显然,牛顿的万有引力公式更简单明了,初中数学水平就能看懂并应用。再看看爱因斯坦的引力场方程,不要用应用了,即使是大学学历,看懂的也不多吧?

爱因斯坦的引力场方程是二阶非线性偏微分方程,在数学上求解这个方程也是相当困难的事,即便是爱因斯本人,也是利用很多近似方法,才做出了很多预言,可见这个方程到底有多难了。



这也是为什么如今指导人类发射火箭,卫星,各种探测器的时候,仍然会选择牛顿的万有引力定律,而不是更精确的广义相对论引力场方程,因为没有必要。虽然万有引力定律会有误差,但那点误差对火箭的发射没有任何影响。



这就像在现实生活中,你想把一桶装水弄到三楼,一桶桶装水的质量大概也就40斤左右吧,一个成年男性把桶装水搬到三楼问题都不大,通常我们也会直接搬上去。

但如果你非得找一个超级起重机把桶装水提到三楼,行不行呢?当然可以,但我相信你不会这么做的,任何人都不会这么做。即使你自己家有起重机可以免费使用,你也不会用。

为什么?

适用的,才是最好的。即便一向以严谨著称的科学也是如此,过分追求严谨精确而忽视了适用性,肯定是得不偿失的,没有任何现实意义。

别说是人类发射的各种卫星了,就算是美国航天局的多次阿波罗登月工程,也都是在万有引力定律的指导下进行的,并非爱因斯坦的引力场方程。



但这并不是说明广义相对论就没有用了,事实上,随着人们对宇宙的探索越来越深入,广义相对论的应用范围会越来越广,因为人类未来肯定会越来越多地经历亚光速飞行,接触到引力场更强的环境,这时候就需要广义相对论派上用场了,牛顿的万有引力定律就不再适用了。

最后再来一个对比,广义相对论体系下的时空弯曲看起来确实很完美了,为什么科学家还执着于寻找假设中的引力子呢?



因为时空弯曲对引力的描述确实相当完美,但它只能描述引力,而无法描述自然界其他三种基本作用力。同时时空弯曲只是从宏观上对引力本质做出的描述,并没有从微观上加以描述,广义相对论认为时空是平滑的,连续的,这与量子力学并不相符。

量子力学认为时空是不连续的,是断断续续的,这也是广义相对论与量子力学还未能完全统一的主要原因。

这也是科学家寻找引力子的原因所在,他们想从微观领域探究引力的本质,从而统一广义相对论和量子力学,促成最终的大统一理论。



科学就是这样,任何科学理论都有局限性,也都有自己的适用范围,而科学总是在不断突破各种局限性的过程中向前发展的。

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