如果太阳突然消失,地球是一下飞出去,还是8分钟后再飞出去?

万有引力的起源

我们都知道,牛顿提出了万有引力定律。但实际上,在牛顿之前,学者们遇到了和牛顿一样的问题,那就是为什么物体会下落?

有一个传说是牛顿被苹果砸了,才悟出了万有引力定律。当然,仔细想一想,就知道这个只能是谣言,已经被人辟谣了,其次,这种现象太常见,如果这么简单,早就被古希腊的哲学家们提出来了。

事实上,有一个古希腊时代的集大成者亚里士多德就提出了解决这个问题的办法。他是这么说的,地球上的物质主要是由水火土气所构成,土和水比较重,所以都有下落的趋势,而火和气比较轻,所以有上升的趋势。而太空中灌满了一种叫做“以太”的物质,所有在太空中的天体都是圆周运动。(补充一句,这里的太空用到的其实是“月亮上方”的概念)这可以说是最早的引力理论了。

牛顿的万有引力定律

如今看来,亚里士多德的理论算是比较离谱了。但是当时的学者们其实正在发起“拯救现象”的运动,他们会思考如何让理论和现实拟合,亚里士多的解释起码在他的时代已经够用了。

我们也知道,后来牛顿横空出世,提出了万有引力定律。具体来说,我们把万有引力定律理解成万物都有彼此吸引的力。

牛顿发现万有引力和物体的质量成正比,和它们距离的平方成反比。通过万有引力定律,牛顿统一了天上和地上的物理学现象。在亚里士多德时期,两者是完全两码事。

但是牛顿也遇到了麻烦,要知道,如果我们的宇宙是一个物质主导的宇宙。那么万物之间都有引力,在引力的作用下,宇宙应该是向中心聚拢的。因此,宇宙最终的结果注定就是收缩到一个点上。

起码在牛顿时期,包括我们现在,也没有发现宇宙有这样的一个发展趋势。相反,我们发现宇宙正在加速膨胀。因此,牛顿的理论其实和实际情况出现矛盾。于是,牛顿就提出了一个解决办法,他认为宇宙是无限大的,如果是这样,那宇宙就没有中心的,或者是宇宙处处是中心,处处引力平衡。

如果这个时候你要问牛顿,那万有引力的传播速度有多快呢?

其实关于这一点,牛顿认为引力是一种超距力。啥意思呢?就是说引力的传递是瞬间的。我们举个例子,如果太阳突然消失了,那地球就好像瞬间收到“太阳消失”的信息一样,立马从轨道的切线方向飞出去。当然,如果你要问他什么是这样的,他自己也不清楚。

引力的本质

1905年,有一位26岁的瑞士专利局的专利员发表了四篇划时代的物理学论文。在这四篇论文当中,有两篇后来被称为狭义相对论。当然,你也一定也猜出来了,这个专利员就是爱因斯坦。

在后面这两篇论文当中,爱因斯坦统一了时间和空间,他认为时间和空间不应该被分开来看,而应该被统一起来看,并称为“时空”。后来,爱因斯坦大学时的数学老师闵可夫斯基提出了“光锥”的概念。

光锥的概念在这里就不赘述了。我们只要知道一件事,那就是当你照镜子的时候,你看到的是你自己么?实际上并不是。这是因为“光速”的传播是需要时间的,当你照镜子时,光要从你的脸上传播到镜面上,再发射到你眼睛里,这当中要走过一段路径,所以,你看到的是过去的自己。

而我们会发现,事件的相互影响,其实是依靠光速进行传递的,也就是说光速是时空的一种特殊属性。而我们要知道的是,狭义相对论其实是适用于惯性参考系的,也就是平直的时空。

但如果是非惯性参考系,非平直的时空又是什么样子呢?

后来,爱因斯坦又花了10年的时间来研究这个问题,就提出了广义相对论,研究的就是弯曲时空的特性。结果,他发现质量可以引起时空的弯曲,或者说,引力并不存在,存在的是时空的弯曲。

我们也可以说,引力的本质其实是时空的弯曲。

按照这个说法,我们再来看地球和太阳的关系。地球之所以绕着太阳转,本质上是因为太阳压弯了周围的时空,而地球沿着时空的“测地线”(也就是时空的“直线”)在运动。

按照爱因斯坦的广义相对论,如果现在太阳消失了会如何呢?

这个时候,时空开始恢复,但是时空是受到光速的约束,也就是说,它的传递速度其实是光速。也就是说,地球并不会马上沿着轨道的切线方向飞出去。此时,地球还不知道太阳消失了,要等过了8分20秒之后,地球才会沿着轨道的切线方向飞出去。这是因为太阳和地球之间距离1.5亿公里,光跑完这段距离需要这么多时间。

从这里我们不难看出,在这一点上,牛顿理论和爱因斯坦的相对论得到的结果是不一致的。不过,目前的观测结果和实验都更加支持爱因斯坦的广义相对论,它是比牛顿万有引力定律更加普世的物理学理论。