引力讓月亮圍著地球轉(zhuǎn),地球圍著太陽轉(zhuǎn),太陽圍著銀河系轉(zhuǎn)。沒有引力,地球上的生命也無法存在。
物理學(xué)家布萊恩博士試圖揭開宇宙的奧秘,并與引力發(fā)生了沖突。他試圖在月亮上發(fā)射激光,來證明牛頓萬有引力定律的不正確。他究竟成功了嗎?
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維系銀河系的神奇力量
自然界有一種力量,一種困惑了眾多偉大科學(xué)家的力量。雖然伽利略打下了研究這種力量的基礎(chǔ),但他沒能進一步了解它,牛頓認(rèn)為它是上帝的杰作,甚至連愛因斯坦,都沒能解開這個謎題。
這個奧秘是世上一切問題的核心,從宇宙大爆炸和時間的開端到地球上生命的存在,從宇宙中奇特的畸變到最細(xì)微的物質(zhì)成分,這個謎題引發(fā)了現(xiàn)代科學(xué)史上最激烈的爭論。
但許多科學(xué)家認(rèn)為我們這一代人或許能成功突破這個難題。
布賴恩·考克斯是一名粒子物理學(xué)家,他的工作是要找出宇宙最基本的組成部分,分析它們怎么結(jié)合在一起,怎么發(fā)揮作用,如果幸運的話,再找出它們存在的根本原因。
過去的十年里,考克斯一直在觀察宇宙中最小的物質(zhì),但他想探究的卻是那些最宏大的問題:人們?yōu)槭裁创嬖?,地球為什么是現(xiàn)在的樣子,宇宙為什么是現(xiàn)在的樣子,宇宙為什么以一種萬物可以生存的模式存在?
這一切問題的根本是自然界的一種力量,這種力量包圍著人們,并將整個銀河系聯(lián)系在一起。對宇宙更深層次的理解,對人們在宇宙中地位的理解其關(guān)鍵就是引力。
正是引力讓太陽在五十億年前開始燃燒,沒有引力,就沒有行星,沒有恒星,更沒有星系。
一個蘋果引發(fā)的偉大思考
引力是怎樣發(fā)揮作用的,這個問題困擾了科學(xué)家很長時間,甚至可以追溯到古希臘時代。十七世紀(jì)末,在英國林肯郡的一個小村莊里,有一個人潛心研究過引力問題,這個人就是現(xiàn)代物理學(xué)的鼻祖,艾薩克·牛頓。
關(guān)于牛頓、蘋果與引力的故事,已經(jīng)被說過無數(shù)次了。牛頓認(rèn)為蘋果落地是由于一種吸引力的驅(qū)使,這種力量自然地存在于蘋果和地球之間,這種力量就是為我們所熟知的引力。
但牛頓真正了不起的地方在于他沒有停留在蘋果的層面上,而是由此想到一個問題在地球上使蘋果落地的力量,是不是也主宰著地球以外宇宙中更大物體的運動。牛頓認(rèn)為引力是一種力量,這種力量在整個宇宙中發(fā)揮著作用。
1686年,他終于將整個問題歸結(jié)為一個數(shù)學(xué)等式,他認(rèn)為物體間的引力與兩個因素有關(guān),即它們的質(zhì)量和它們之間的距離,物體質(zhì)量越大,吸引力就越強;物體的間距越大,吸引力就越小,這就是牛頓著名的萬有引力定律。
牛頓的萬有引力定律是物理學(xué)界的重要轉(zhuǎn)折點之一,這是因為它確實在全宇宙通用。它不僅預(yù)測了在引力作用下地球上的物體是怎樣運動的,還闡釋了恒星、行星甚至是星系在整個宇宙中的運動。
牛頓并不是百分之百正確
牛頓的萬有引力定律至關(guān)重要,它幫助人類從地球到達(dá)了月球,但我們現(xiàn)在知道,牛頓并不是百分之百正確。
考克斯來到了得克薩斯州的埃爾帕索,這里是美國與墨西哥的邊境,他此行的目的是弄清楚牛頓到底錯在哪里。
1969年,尼爾·奧姆斯特朗和巴茲·奧爾德林,在月球上留下的不只是腳印,他們當(dāng)時留下了一組特殊的鏡子,可以用來檢驗牛頓的引力理論,那些鏡子在這里扮演了重要的角色。
考克斯所到之處就是阿波羅太空計劃僅存的前哨基地之一,它就是麥克唐納觀測臺,距埃爾帕索有四小時的車程。在這里,考克斯與工作人員,借助一臺能夠發(fā)射激光的望遠(yuǎn)鏡眺望月球上的鏡子,他可以精確測出地球到月球的距離。
通過精確計算地球到月球的距離,一份極為精確的月球繞地球運行的軌道圖出現(xiàn)了,但這卻帶來了一些令人意外的結(jié)果,就是月球運行的實際軌道與牛頓當(dāng)初預(yù)測的有所不同。
考克斯發(fā)現(xiàn)牛頓關(guān)于引力的簡單定律并沒有解開所有的疑問,以過去的數(shù)據(jù)來說,牛頓總結(jié)的公式已經(jīng)相當(dāng)不錯了,但并不完全正確。
如果以牛頓的萬有引力定律來預(yù)測月球的位置,那么月球會出現(xiàn)在錯誤的位置??伎怂沟臏y量結(jié)果與牛頓的預(yù)測大約有十米的偏差,十米聽起來可能不算多,但這意味著牛頓出錯了。
考克斯覺得必須對觀測數(shù)據(jù)做出合理解釋,但牛頓的萬有引力理論,已經(jīng)不適用了,如今的觀測數(shù)據(jù)太精確了,人們需要其他理論來支持。
相對論改變?nèi)藗儗τ钪娴目捶?/p>
考克斯認(rèn)為有一位物理學(xué)家的思想是不受任何條條框框的約束,他是有史以來第一位明星科學(xué)家,被很多人稱贊為十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初最偉大的物理學(xué)家,他就是阿爾伯特·愛因斯坦。
他科學(xué)理論開拓了人們的視野,讓人們以全新的眼光來審視宇宙。愛因斯坦認(rèn)為宇宙是由時空組成的,空間就是人們放眼四周看到的這個,它有長度、寬度、高度,
至于時間,它只是一分一秒不停地走著,但在愛因斯坦的宇宙觀中,它們共同交織成了一種結(jié)構(gòu),空間和時間不再是分開的兩個事物,它們是同一個事物,而這種構(gòu)造就是所謂的時空。
這種關(guān)于時空的奇怪想法,無疑是顛覆性的。這是一項空前的創(chuàng)舉,愛因斯坦的相對論徹底改變了人們對宇宙的看法。
在牛頓眼里的宇宙就像一個舞臺,一座競技場,所有事情都在這里發(fā)生,但這個舞臺就像一個盒子和你能想象到的一樣,恒星、行星、人類都在里面按部就班地運行著。
而愛因斯坦的智慧體現(xiàn)在,他意識到我們不需要這個盒子,世界是由時間和空間構(gòu)成的,宇宙中發(fā)生的一切都會影響到時空,而時空也會影響宇宙中發(fā)生的一切。
牛頓眼中的宇宙是一片虛空,恒星和星系相互影響,但僅此而已。愛因斯坦的宇宙觀則截然不同,即宇宙內(nèi)部存在一種結(jié)構(gòu),也就是時空,所有天體都被嵌入這個結(jié)構(gòu)中,并且都與它相互作用。
在愛因斯坦的宇宙中行星、恒星、星系可以讓時空彎曲、折疊、變形。愛因斯坦說,我們的星球造成了時空變形,正是這種宇宙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的彎曲,創(chuàng)造了我們所感受到的引力