你认为相对论是修正了还是颠覆了牛顿引力理论?
在古代,人们普遍相信地心说,认为地球?是宇宙的中心。因此,那时没有引力的概念,认为各种不同的天体运行,都只是它们的自然状态。
到文艺复兴时期,日心说取代了地心说。于是,地球不再是宇宙的中心了。由此,人们会产生如下的疑问:导致天体运行的原因是什么?
牛顿根据前人的观测资料和经验的总结,引入了万有引力的概念,并由此提出了万有引力公式。这一公式,虽然只是经验的,但却很好地解释了太阳系内各个行星的运动轨迹,从而获得了极大的成功。
不过,由于经典力学是忽略了物理背景的一维理想的物理理论,所以当时的科学家??普遍认为,引力只是物质的内在属性,其与外在的空间无关。
然而,当人类的认识由原来的宏观范围扩展至宇观领域,有许多现象是原来的经典力学所无法解释的。
比如,水星的剩余进动。水星的运动轨迹是椭圆形的,水星每百年会使其长轴累计向前转动5600秒,这就是水星的进动。对于水星的进动,其中的绝大部分都可以由牛顿的万有引力予以解释,认为是其他行星对水星的摄动。不过,仍有43秒的进动是牛顿的万有引力公式所无法解释的。这就是水星的剩余进动,该进动困扰了人类几十年的时间。
对此,爱因斯坦借助于将不同概念的引力质量和惯性质量等同起来,使物质与空间建立了相互的联系,并由此创建了广义相对论。
与牛顿的万有引力公式相比,广义相对论多了一个与光速的平方成反比的修正项,因而在量上表现为广义相对论只是对牛顿万有引力公式的修正。而且,正是这一修正项,很好地解释了水星的剩余进动。
然而,从对引力的理解来说,广义相对论认为引力是空间的几何弯曲。于是,引力由牛顿的物质内在属性,转变为物质外在的空间变形。
所以,从对引力的理解来说,广义相对论颠覆了牛顿的万有引力理论。广义相对论将人类的认识,由原来的局限于物质,扩展至物质存在的物理背景,即扩展至空间。
在人类的认识中引入了空间概念,而且认为空间的形状决定了物体的运动行为,这是广义相对论在认识上的进步意义。其不足,则是作为唯象的理论,没有进一步地阐述作为物理背景的空间究竟是由什么构成的,即缺乏具体的物理机制。
总之,广义相对论的提出,相对于牛顿的万有引力理论,具有质的飞跃,由原来机械的世界观转变为有机的世界观。于是,空间不再是虚无的代名词,空间被广义相对论赋予了具体的物理意义,空间是我们的认识不可忽略的一个重要的因素。
要了解相对论(具体应该是指广义相对论)和牛顿引力理论之间的关系,我们就得先看看两者都说了些什么?
牛顿引力理论在日常生活中,我们常常看到,东西都会往地上掉的趋势,而天体之间似乎都绕着转,就拿地球来说吧,它就绕着太阳转。
牛顿那个时代的人就试图解释这个问题,不过由于数学工具,也就是微积分还没有被发明,因此,在牛顿之前一直没有人能解决这个问题。
后来,牛顿发明了微积分(这里强调一下,是莱布尼茨和牛顿分别独立发明了微积分),于是,他利用微积分解决了万有引力的问题,并提出了万有引力的理论。
不过,我们还是来具体看一看,牛顿这套理论有个前提假设,他认为时间和空间是相互独立的,是刚性的,换句换说就是,时间对于任何人而言都是一样的,不会因为运动而发生改变。同样的,空间也是如此。我们可以理解成对于任何人来说,1公里就是一公里,不会因为你相对于谁跑得快,这个1公里长度变短了。所以,当别人问牛顿引力的本质到底是什么的时候,牛顿其实没办法直接回答,因为在他的理论中,引力是一种超距作用,说白了就是引力的速度是瞬间传递的,要远快于光速。
爱因斯坦的广义相对论而爱因斯坦认为,时间和空间并不是分立的。应该结合起来看,构成一个四维时空,也就是三维空间加上一维时间。这就是爱因斯坦狭义相对论的核心,他在这个理论当中统一了时间和空间。
从狭义相对论,我们可以知道的是,运动对时空是会有影响的,具体来说,如果有一个人相对于你运动得特别快,那他的时间就膨胀了,尺度就缩短了。不过,狭义相对论描述的是平直时空的情况。
而爱因斯坦把相对论进一步地深化,提出了广义相对论。广义相对论和狭义相对论最大的区别就是时空上的区别,狭义相对论是在平直时空的运动情况(也是我们常说的惯性系下的运动情况),而广义相对论则实用性更广,可以用在弯曲时空中。
天体由于自身的大质量,是可以使时空发生弯曲的,因此广义相对论是可以用来解释引力问题。不过,我们要明白一点,实际上,广义相对论本身不是特意解决引力的,它只是狭义相对论推广到非惯性系下(也就是弯曲时空)的一个理论,而这个理论的副产品是可以解决引力的本质问题。也就是说,引力的本质是时空的弯曲。
举个例子,地球绕太阳转实际上就是太阳压弯了周围的时空,地球沿着时空的测地线(四维时空的“直线”)在运动。
两者之间的关系这里我们还要搞清楚一点,所谓的“引力”,或者“四维时空”,其实它们都是看不到的,引力到底是什么,我们要先做一个定义,定义引力具体指代什么现象,四维时空也是如此,它们只是某一种物理现象的代号而已。但是,我们不能直接看到“引力”或者“四维时空”。因此,科学家不比较谁的专业用语更高深。那他们比的是什么呢?
他们比的是误差。说白了就是谁的理论和现实更贴合。牛顿引力理论其实在一定的适用范围内是极其准确的,甚至可以用这个理论来预言彗星的周期,海王星的位置等等,我们现在的航空航天中用到的还是牛顿引力理论。
而爱因斯坦的理论适用面更广,可以用在速度快,引力强的地方。同时从爱因斯坦广义相对论的引力场方程中,科学家预言了宇宙大爆炸,黑洞,引力波。前者有坚实的证据,后两者已经实际观测到了。
牛顿引力理论一直没能解决的“进动”问题,在爱因斯坦的广义相对论中也得到了很好的解决。
所以,我们其实不能说牛顿的引力理论被推翻了,我们只能说,牛顿的引力理论有一定的适用范围,但它在其适用范围内极其的准确,是一个合格的理论。而爱因斯坦的广义相对论则适用范围更广,更加准确。