地球的质量5.965×10^24kg,也就是接近60万亿亿亿吨。但如果我们在从太空上看,就会看到地球好像是悬浮在宇宙空间当中的。要知道,在地球上对我们很多人而言都有一种感受:东西都会往下掉,那为什么地球没有一直可以“腾空”,而没有掉下去?
万有引力定律
学过高中物理的童鞋可能会直接回答:这是因为万有引力造成的。根据牛顿的力学三大定律,我们知道“力是改变物体运动状态的原因”,地球上的东西会下落,是因为受到万有引力。而地球看起来是“腾空”的,是因为地球的“下方”并没有任何物体吸引它,也就是没有力拖拽着地球“朝下”运动。地球的“受力”主要来自于太阳的万有引力。太阳的引力使得地球绕着太阳转动。
那问题来了,万有引力又是什么?
牛顿是看到了东西下落的现象,然后把这个现象叫做引力现象,然后基于观测,提出的万有引力定律。根据万有引力定律,我们知道引力和物体的质量成正比,与距离的平方成反比。
实际上,在牛顿的时代,就有人问过他,万有引力的本质到底是什么?
牛顿认为万有引力是一种超距作用。说白了就是,两个物体不需要接触,就可以有“力”的作用,同时万有引力可以时间瞬间的传递,根本不需要传播的时间。举个例子,按照牛顿的万有引力定律,如果太阳突然间消失了,那么地球也会瞬间沿着轨道的切线方向飞出去。因为就在太阳消失的那一刻,地球受到的太阳引力也就消失了。
那牛顿这样的看法到底是对的吗?
广义相对论
客观地说,牛顿的理论在200,300年来,一直都是十分精准的,很符合我们平时观测的结果。但是,随着科学技术的发展,人类能够观测到的现象越来越多,就发现牛顿理论放在一些尺度下就不太对了。比如,如果是在亚原子级的微观尺度下,牛顿力学就不够用了,误差会非常大。
除此之外,科学家还发现在引力特别强的地方,或者速度特别快的情况下,牛顿的理论也会出现很大的误差。那么问题到底出在了哪里?
爱因斯坦在1905年就提出了他和牛顿完全不同的时空观。牛顿之所以提出万有引力定律和牛顿力学是有一个基础假设的,那就是他假设空间和时间是分开的,也是刚性的。对于任何运动状态下的参照物而言,空间和时间都是一样的,不会随着运动状态的改变而发生改变。说白了,不管你是坐着还是跑步,你看到的一米就是一米,你感受到的1秒就是1秒。
不过,爱因斯坦就提出了不同的看法,他认为时间和空间应该被统一起来,并成为时空,同时时空可以被弯曲的。不同运动状态下的人感受到的时空是不一样的,也就是说你坐着和你跑着,感到的一米和一秒实际上是有区别的,只不过这区别实在微乎其微(小数点后16位),以至于你根本感受到这个区别。
基于这样的时空观,爱因斯坦在1915年提出了广义相对论。在广义相对论当中,爱因斯坦提出,引力的本质是时空的弯曲。还是以太阳为例,太阳由于质量特别大,它就会弯曲周围的时空。
要知道地球只能贴着时空的测地线运动,这里的测地线类似于“平面内两点之间的最多距离”,而时空被弯曲了,因此,地球特别弯曲的时空运动。从我们视角来看,地球就是在绕着太阳运动。
爱因斯坦的这一套听起来很玄,超出了我们日常的经验。但是广义相对论是可以解释牛顿理论解释不了的问题,比如:水星进动现象。
不仅如此,广义相对论还有很多预言后来都被印证了,比如:黑洞,引力波。而我们如今的宇宙学理论也是基于广义相对论。更关键的是,广义相对论还被实验和观测所佐证。因此,广义相对论取代了牛顿的万有引力定律成为了关于“引力现象”最主流的科学理论。
而按照广义相对论,地球之所以“悬空”本质上是因为它被“时空”给托住了,地球是沿着时空的测地线在运动的。