引力的本质是什么?牛顿和爱因斯坦谁的理论更准确?

关于引力到底是什么,自古以来就有许多学者讨论。即使是时至今日,依旧有很多人科学家在研究这方面的内容,比如:超引力理论。所以,或许在未来还有可能会出更具普适性的引力理论,不过,现在看来,关于引力的理论,最为主流的科学理论还是广义相对论。

那在广义相对论框架下,引力的本质到底是什么呢?

今天,我们就俩聊一聊这个话题。

"引力”现象

其实“引力”这个词并非是一开始就有的,最早人们关注到的其实是“引力”的现象。在古希腊时期,人们就开始在思考,为什么大多数的物体都会往地上掉?

甚至,到了现在,还盛传着一个关于牛顿发现引力的谣言,这个谣言就是牛顿之所以发现引力是因为被苹果给砸了。

当然,这个故事其实并非出自于牛顿之口,牛顿很早就开始就思考“引力”现象,而且恰恰他的住所门前有一颗苹果树。后来,由于他的侄女在和伏尔泰聊起牛顿时,可能是牛顿的侄女,也可能是伏尔泰就捏造了这么一个故事。于是,这个谣言就开始盛传了,不得不说伏尔泰却是深受牛顿的影响。因为,他见证了牛顿的国葬,他认为当时的英国可以崛起,是因为他们对学者足够的尊重,牛顿都可以被葬在当时只有贵族才能下葬的威斯敏斯特大教堂,并且为他抬棺材的四个人是英国地位最高的四位王公贵族。

当然,我们必须承认的是,牛顿确实伟大,他可以被认为是科学史上最重要的学者之一,可能只有爱因斯坦这样的科学家才有可能媲美,如果把其他领域的贡献也加进来,可能连爱因斯坦也只能望其项背。

而牛顿对于“引力”现象的解释就是著名的万有引力定律。他认为万物都有彼此吸引的力。这个“吸引力”被他称为万有引力。在其著作《自然哲学的数学原理》中,牛顿详细的讲述了万有引力定律。而如果我们在高中时就会学习到“去微积分化”的万有引力定律。而他认为万有引力与两个之间的距离的平方成反比,与两个物体的质量成正比。

通过万有引力定律,以及运动学理论,牛顿把太空中天体的运动学规律和地球上的运动学规律统一了起来,在此之前,当时的学者一直都认为天空中是一套,地球上是一套。这里补充一句,他们的表述其实是月亮以上的宇宙和月亮一下的世界是遵循两套规律的。

牛顿的万有引力定律取得的成功是不言而喻的,后来,科学家运用他的理论已经可以预测很多天体的现象。不过,他有一个问题没能解决,这个问题就是万有引力的本质到底是什么?

牛顿其实在当时定义了时间和空间,他认为时间和空间是分立的,也还是绝对的。也就是说,时间是均匀流逝的,对谁都是一样的,这也被称为牛顿的绝对时空观。而引力则是一种超距力,意思是说,引力的传递是瞬间完成的。

相对论

后来,到了1905年,爱因斯坦提出了著名的狭义相对论,在狭义相对论中,爱因斯坦提出了时空观。他认为时间和空间应该结合起来看的,它们彼此相互联系,应该被称为时空。时间的流逝其实与物体的运动状态有关。

而我们所生活的世界其实是在一个四维时空当中,一维时间和三维的空间。但我们要知道的是爱因斯坦的狭义相对论其实是针对于惯性系而言的,说白了就是没有加速度的匀速的情况。我们也可以理解成平直的时空。

到了1915年,爱因斯坦把狭义相对论进行推广,提出了广义相对论。广义相对论所研究的问题就是非惯性系下的运动情况。爱因斯坦通过一个等效原理,把加速运动和引力统一了起来。

这时候,他发现,原来引力的本质其实就是时空的弯曲。那这个该如何理解呢?

我们来举个例子,我们都知道月球绕着地球转。在牛顿理论中,地球和月球之间存在着万有引力,彼此吸引,由于月球有一个初速度,所以会绕着地球运动。

但是爱因斯坦认为并不存在所谓的“万有引力”,而是地球弯曲的周围的时空,月球遵循着“牛顿第一定律”沿着时空的测地线在运动,补充一句,这里的测地线就是时空的“直线”,牛顿第一定律告诉我们,所有的物体都会保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。


所以,月球并没有受到万有引力的作用,而是在沿着时空的“直线”运动。后来,到了1919年,天文学家爱丁顿通过观测沙罗日全食证明了爱因斯坦的理论比牛顿的万有引力定律更加具有普适性,也就是精度更高,误差更小。(实际上,这当中还有个插曲,不过结果还是爱因斯坦的理论更准确。)

所以,如今科学家的普遍认同是:万有引力的本质是时空的弯曲。