牛顿的万有引力深入人心,可为什么爱因斯坦却说引力并不存在?

地心说

天文学算是人类文明中比较古老的一门学问了。四大文明和海洋文明都各自在这个领域取得巨大的成果。其中在海洋文明中,通过几代哲学家和数学家的努力,最终拿到了一套模型,这就是大名鼎鼎的地心说模型。这个模型是在托勒密时代大功告成的,并且被后世所接受,在整个西方的学术圈中流传了1400多年。

通过地心说模型,我们就会发现,古人很早就发现了有一部分特殊的天体会动。只不过,他们没有足够的证据证明地球本身在动,因此,他们假设地球是不动地,以地球为绝对参考系来看其他的天体,就会认为其他的天体都在绕着地球运动。同时,当时的学者其实已经发现天体走的轨迹并不是完全的圆,但由于他们对于“天界完美”的信仰,还是用各种圆来套,这使得地球说成为极其复杂的一套理论。至于“天体会绕着地球转”,当时认为天界都是由“以太”构成的,这种物质就会使得天体走出“圆”的轨迹。

牛顿的万有引力定律

后来,哥白尼首先对地心说提出了质疑,并提出了日心说模型。伽利略发现并不是所有的天体都绕着地球转,并提出地球可以动的理论。而几乎在同时,开普勒发现了行星绕着太阳的轨迹其实是椭圆。开普勒的师傅第谷观测到了超新星和彗星的现象,证明了天界并不是完美的。

经过这四个人的努力,地心说的地位其实摇摇欲坠,全靠教会支撑着。不过,开普勒的发现也遗留了一个很重要的问题,那就是为什么行星绕着太阳转的轨迹是椭圆?

后来,牛顿在1687年发表了著作《自然哲学的数学原理》。在这本著作中,牛顿提出了著名的牛顿力学理论和万有引力定律。

牛顿认为,地球之所以绕着太阳转并且轨迹是椭圆,是因为地球受到了太阳的引力作用。他还给出了万有引力的关系式,引力与物体的质量成正比,与两个物体之间的距离的平方成反比。

牛顿的这条理论很好解释了前辈们遗留下来的问题,并且能够非常准确地描述天体的运动,还可以用来预测天体的位置。后来,有数学家仅仅利用牛顿的理论,通过纸和笔就找到了海王星。所以,牛顿的理论被学术界广泛认可,并且他也成了科学史上的地位最崇高的科学家之一。

虽然牛顿的理论已经很牛了,但是学者们还是发现了一个问题,这个问题也被称为水星的近日点进动。学者们发现,水星的运动轨迹确实是椭圆,只不过这个椭圆并不是固定的,而是椭圆自身也在动。这其实也是牛顿的万有引力定律的瑕疵,一直以来学者们都无法解决。那这究竟是咋回事呢?到底是哪里出了问题?

爱因斯坦的广义相对论

解决这个问题的科学家是爱因斯坦,他在1915年提出了著名的广义相对论。在牛顿的理论当中,做了一个基础假设,这个假设认为时间和空间是割裂开的,时间就是时间,空间就是空间,两者并没有什么关系。除此之外,牛顿还认为物体的运动状态并不影响时间和空间。说白了,任何人看到的一米长都是一样的长得,任何人感受到的一秒钟都是相同的一秒钟,这也被称为牛顿的绝对时空观。

不过,爱因斯坦通过光速不变原理和洛伦兹变换推导出了全新的理论,也就是狭义相对论。在狭义相对论当中,他发现时间和空间不能独立,或者我们可以说时间和空间在某种程度上看是等价的,两者应该被并成为:时空。基于狭义相对论,爱因斯坦进一步推广得到广义相对论,他认为,根本不存在引力,地球绕着太阳转的现象是由于时空弯曲造成的。

广义相对论被提出时,大多数的科学家都无法接受。不过,后来在1919年,天文学家爱丁顿带队观测日全食,从而证明了广义相对论是正确的,这才使得爱因斯坦的广义相对论被逐渐接受。

同时,在广义相对论当中,就可以非常好地解释水星近日点进动的问题。

总结

按照目前的学术圈的主流认同,也就是爱因斯坦的广义相对论,地球绕着太阳运动的原因是时空弯曲造成的,太阳压弯了周围的时空,地球沿着时空的测地线在运动。