而且,很多東西都是往下掉的趨勢,比如:人跳起來后不會飄起,而是落回到地上。
這種現(xiàn)象對于古希臘哲學家,尤其是自然哲學家來說就很鬧心。所以,他們得給出一個合理的解釋,那具體咋解釋的呢?
亞里士多德總結(jié)了前人的成就之后,提出了這樣的觀點。
萬物是由水火土(地)氣構(gòu)成的。水和土(地)都落向地面的趨勢,而火和氣有向上升的趨勢。
除了這樣的觀點之外,亞里士多德還說:
重的物體落到地面上的速度越快。
實際上,亞里士多德的研究雖然被我們后世的很多人看成了笑話,但是還是很有意義的,最起碼人家做了個實驗,也算是最早的關(guān)于“引力”的理論。除此之外,他還指了一條明路,那就是從物質(zhì)的本源去出發(fā),后來的“引力子”理論不得不說有點沿襲了亞里士多德“水火土氣”的思路。
而到了現(xiàn)代科學,首先對亞里士多德理論下手的人是伽利略。傳說他在比薩斜塔做了個自由落體實驗,實力打臉亞里士多德。
不過,這個傳說而已,實際上,伽利略做到是斜面實驗。
這個實驗告訴我們一個道理,物體的慣性質(zhì)量竟然等于引力質(zhì)量。這后來也預示著引力其實和空間有關(guān)。
緊接著,牛頓沿著伽利略、開普勒等人的成就,提出了牛頓力學和萬有引力定律。牛頓的厲害之處在于,他把天上和地下的物理學進行了統(tǒng)一,在他之前,包括哥白尼在內(nèi)的許多大神都認為天上是一套規(guī)則,地上是一套規(guī)則。牛頓還給出關(guān)于引力的萬有引力公式:
傳說(寫在了自然哲學的數(shù)學原理當中),牛頓想到萬有引力公式來自于一個思想實驗,他當時就在尋思,如果有個大炮,炮彈放置在空中,就會自由落體,這是因為地球的引力。
打出一個炮彈,理論上是平拋運動,
但是我們要知道的是地球是球形的,這說明地球的表面是彎曲的,只是地球特別大,所以我們才沒感覺到。但如果炮彈的速度足夠快,炮彈下降的幅度等于地面下降的弧度,那豈不是炮彈可以一直沿著地球轉(zhuǎn)了么?
而天體的運動不正是符合了類似的規(guī)律?所以,實際上天體的運動和地球表面的運動是一回事。
除此之外,如果我們仔細看牛頓的萬有引力公式,其實這個公式已經(jīng)描述出來引力和空間的關(guān)系,那就是1/r^2,也就是引力和兩個物體之間的距離的平方成反比。
所以,牛頓也得給出他對于時空的關(guān)系。我們都知道萬有引力公式并沒有時間量,只有空間量。因此,牛頓認為萬有引力和時間沒有關(guān)系,它是超距作用,瞬間完成。
而空間也和時間沒有關(guān)系,兩者是分立的。而且,他進一步給出自己的看法,他認為時間和空間是剛性的,對于任何人來說,一米就是一米,大家都一樣,一秒就是一秒,大家都一樣,無論是不是在運動,空間和時間都不會變化。這也被稱為牛頓的絕對時空觀。
所以,到了牛頓時代,人類描述清楚了萬物之間都存在引力,引力這會使得兩個物體之間相互吸引。但是,如果你問牛頓,引力的本質(zhì)是什么,他其實是答不上來的。
后來,愛因斯坦提出了狹義相對論,先是實力打臉牛頓的絕對時空觀。在狹義相對論中,愛因斯坦統(tǒng)一了空間和時間。他認為,
時間的間隔也就是(鐘的運動)和空間的長度(尺子的長短)都會因為運動而發(fā)生改變。
這也被叫做鐘慢效應和尺縮效應。后來,科學家通過μ子實驗也驗證了這一點。
因此,時間和空間在狹義相對論中稱為了一個物理量,叫做時空,并且和三維空間結(jié)合到一起,并稱為四維時空。
但是狹義相對論也有它的問題,因為引力定律并不滿足任何參照系下都具有相同的形式。而狹義相對論是在慣性系下建立起來的。因此,愛因斯坦做出了進一步的推廣,提出了廣義相對論,他認為
慣性力是適用于平直的四維時空。而引力的時空則是彎曲的四維時空。
換句話說,愛因斯坦對于引力的解釋和牛頓有本質(zhì)上的不同,這個不同就是時空觀念上的不同。用惠勒的一句話來概括愛因斯坦的觀念就是:
物質(zhì)告訴時空怎么彎曲。時空告訴物質(zhì)怎么運動。
地球之所以繞著太陽轉(zhuǎn),正是由于太陽彎曲了周圍的時空,地球沿著測地線在運動。而這里的測地線就是彎曲空間中的“直線”,兩點之間最短的路徑。
而要描述四維時空,我們就需要用到黎曼幾何。
想要知道時空彎曲的程度,是需要用到愛因斯坦的引力場方程來確定的。
因此,這個時候的時空不再是單純的物質(zhì)的“運動場”,同時彎曲的時空我們可以認為是引力場。
還拿太陽系來說,太陽其實就是引力場的源頭,它的質(zhì)量產(chǎn)生了引力場。
愛因斯坦的廣義相對論,如今也是關(guān)于“引力”的主流理論,并且在后來被大量的觀測和實驗所驗證。其中愛丁頓在1919年通過觀測日全食時,太陽附近的光線彎曲最為轟動,讓愛因斯坦一戰(zhàn)封神。
而水星的近日點進動一直是牛頓的引力理論一直解決不好的問題,愛因斯坦廣義相對論則可以解決這個問題。
更不要說,后來科學家利用廣義相對論預言了黑洞和引力波的存在,這些都是理論先于觀測,堪比當年科學家利用萬有引力預測“海王星”的存在。
當然,除了廣義相對論,其實還有其他的引力理論,比如:“引力子”理論。但是這些理論在觀測和預測上,和實際情況相去甚遠,遠不如廣義相對論描述得準確。
不過,廣義相對論并非是完美無缺的,它也有自身巨大的問題,隨著科學家的深入研究,他們發(fā)現(xiàn),在某些特定情況下,廣義相對論會使得時空出現(xiàn)奇點,在這個奇點處,引力場會失去意義。想要解決這個辦法就得將廣義相對論和量子場論進行結(jié)合,科學家也一直在致力于此。他們認為,這兩個理論的結(jié)合會是最終極的理論,也被稱為萬有理論。這也可能是引力理論的未來發(fā)展發(fā)現(xiàn)。
正如開頭所說的,每個時代都有一個主流的引力理論,如今我們的主流引力理論是廣義相對論,而未來呢?是萬有理論,還是超弦理論?我們目前還不得而知。但不斷發(fā)展是科學的特質(zhì)。關(guān)于,“引力”我們就聊到這里。