平时,我们看到一些宇宙的图片,常常会发现,天体都漂浮在太空当中。于是,常有人问,为什么它们可以漂浮在太空当中,而不是像在地球表面那样,万物都往地球表面下坠?
当然,很多了解牛顿的”万有引力"朋友可能知道这和引力的方向有关。但其实如今关于引力的描述实际上更为主流的观点是广义相对论。那具体是咋回事呢?我们还是要先从牛顿说起。
万有引力定律
话说,1687年,牛顿发表了他人生当中最重要的一本著作《自然哲学的数学原理》,在这本著作当中,牛顿提出了著名的万有引力定律。那什么是万有引力定律呢?
其实这来自于我们平时非常常见的一种现象,我们会发现,在地球上,万物都会有下落的趋势,比如:苹果会掉地上。我们跳起来之后,还会落回到原地。
这种现象很早就引起了古希腊学者们的好奇,著名的古希腊哲学家亚里士多德就利用五元素说(也有叫做四元素说的)来描述这种现象。
他认为地球上的物质是由水火土气四种元素构成的,这四种元素中,水和土比较重,会往地上落,火和气比较轻,会往天上飘,而月亮以上的太空是由以太构成的,天体要满足元素圆周运动的形式。
如今我们再来看亚里士多德的理论,我们会发现他有点想当然了。不过,亚里士多德的这套理论,结合着他的地心说理论,在当时其实已经完全够用了。
后来,一直到牛顿时期,这种局面才得以改变。牛顿发现,万物之间都存在着彼此吸引的吸引力。
可以利用万有引力定律来描述这个现象,引力和两个物体之间的距离成反比,与它们的质量成正比。
通过万有引力公式与牛顿力学相结合,牛顿成功地把地球上的物理学现象和宇宙中天体的运动规律统一了起来。牛顿认为我们知道,“东西往地面上掉”和“天体的运动”其实都遵循着同一个物理学规律,这相对于亚里士多德学说已经是一个极其巨大的进步了。
牛顿理论的精度是超越时代的存在,在其后的200多年时间里,甚至延续至今,牛顿力学和万有引力定律发挥了巨大的作用。
从牛顿的万有引力定律来看上文中我们提到的问题,据牛顿第一定律:任何物体都会保持静止状态,或者匀速直线运动。直到外力迫使它改变运动状态为止。
于是,我们就可以得出,地球上的物体地球表面上落其实是受到了力的作用,其实就是受到的是重力作用,不过要说明一下,引力和重力并不是一个力,不过正是由于引力和离心力的共同作用,才使得有重力作用。
而太空中的地球,如果我们对它进行受力分析,就会发现,地球主要收到的是太阳的引力,和月球的引力,这两种力也促使了地球出现了潮汐现象。并不存在某种把它向下拖拽的力。
因此,地球不会发生下坠,而会出现所谓的“悬浮”现象。
广义相对论
牛顿的万有引力定律也并不是就完全没有问题。科学家发现,在引力很强或者速度很快的尺度下,万有引力定律就会出现非常大的误差,这个误差是我们无法接受的。基于这样的情况,爱因斯坦提出了著名的相对论。其中,在广义相对论中,爱因斯坦提出了:万有引力的本质是时空的弯曲。
月球之所以会绕着地球转,本质的原因是地球压弯了周围的时空,月球是沿着时空的“测地线”在运动,这里测地线就类似于时空的“直线”。所以,实际上,天体的运动是符合牛顿第一定律的,而并不存在所谓的“引力”。之所以这样说,是因为牛顿对于万物彼此吸引的现象的解释是万有引力,而爱因斯坦认为这是时空弯曲造成的,而不是有“力”的作用。
那如果是这样的话,地球,月球,甚至包括太阳,实际上都是符合广义相对论的。科学家也用观测证明了爱因斯坦的广义相对论的适用范围以及精度要好于牛顿的万有引力定律。
因此,宇宙中的天体实际上都是贴着测地线在运动,或者说沿着时空的“直线”在运动,也就不存在所谓的下坠的问题,而在我们的观测中,看起来就好像是悬浮着的一样。