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大科技杂志社|爱因斯坦是如何解决牛顿疑问的？( 二 )


大科技杂志社|爱因斯坦是如何解决牛顿疑问的？
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天王星摄动问题上的处理结果是令人鼓舞的 ， 它不仅给了人们意外收获 ， 还再一次强化了牛顿的万有引力定律的正确性 ， 使得这个理论更加深入人心 。 然而 ， 并不是所有太空世界的运动奥秘都能这么轻易地被万有引力定律揭开 。 很快 ， 在应用万有引力定律时 ， 科学家们遇到了一个巨大的麻烦——来自于水星在近日点处的进动 。 进动是指一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转的现象 ， 所有的行星都存在进动 。 1859年 ， 勒威耶发现水星处于近日点时进动的观测值 ， 比根据牛顿定律算得的理论值每世纪快38" ， 并猜测这可能是一颗比水星更靠近太阳的行星吸引所致 。 可是经过多年的辛勤搜索 ， 这颗猜测中的行星始终毫无踪影 。 人们尝试用很多理论去解释这个偏差 ， 但都失败了 ， 于是人们开始怀疑牛顿的万有引力定律本身是否有不足之处 ， 或者是有不可克服的困难 。
大科技杂志社|爱因斯坦是如何解决牛顿疑问的？
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万有引力定律不仅在实际观测中遇到了问题 ， 在理论方面也遇到了困难 。 第一个困难便是超距作用 。 根据万有引力定律 ， 两个相隔无限远的物体 ， 都可以产生万有引力 ， 而且这个引力还不涉及时间 ， 意味着万有引力的传播不需要时间 。 我们知道 ， 即使可以传播到很远的电磁场 ， 其传播都是符合一定的时间规律的 。 超距作用很难被人们理解 ， 连牛顿本身也觉得这是一件很荒谬的事情 ， 但他确实想不出更好的理论 。 第二个困难则是万有引力定律和爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论相矛盾 。 “狭义”表示这个理论只适用于惯性参考系 ， 理论的核心方程式是洛伦兹变换 。 狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应（相对论效应） ， 如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等 。 按照狭义相对论的要求 ， 所有的物理学规律都应该符合狭义相对性原理 ， 在洛伦兹变换下数学形式不变 。 例如F=ma ， 不管物体处于什么坐标下 ， 即使根据洛伦兹变换 ， 物体的质量随着速度变化而变化 ， 这个公式本身都不会变 。 但是万有引力定律在不同的坐标下 ， 其形式改变了 ， 和狭义相对论存在不可调和的冲突 。 而且 ， 狭义相对论认为光速是宇宙中的极限速度 ， 这也和万有引力的超距作用相矛盾 。
爱因斯坦眼中的引力
在狭义相对论提出的10年后 ， 爱因斯坦完全独立地推出了广义相对论 ， 再一次震撼了世人 ， 证明了这个20世纪最伟大的科学家的伟大 。 广义相对论对万有引力进行了全新诠释 ， 并弥补了牛顿力学万有引力定律的不足 。
广义相对论认为：万有引力的本质是时空弯曲 ， 质量（或者能量）是时空弯曲的原因 。 所以在广义相对论中 ， “引力”这个力并不存在 ， 之所以两个物体相互吸引 ， 是因为物体在弯曲空间中运动造成的等效效应 。 换句话说 ， 是天体的轨道运动 ， 让人们错认为是天体间相互吸引 。 为什么太空中的天体会呈现现如今的这种运动呢？根据牛顿第一定律：任何物体都要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 ， 我们得出 ， 不受外力的运动物体的运动轨迹是一直保持直线的 。 在广义相对论中 ， 太空的行星就是不受外力的 ， 只是它们存在质量 ， 弯曲了空间 。 在弯曲的空间中 ， 它们仍然尽量保持直线运动 ， 这就是它们呈现椭圆形运动轨迹的由来 。
大科技杂志社|爱因斯坦是如何解决牛顿疑问的？
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【大科技杂志社|爱因斯坦是如何解决牛顿疑问的？】但是 ， 我们能否就说牛顿的万有引力定律是错的呢？在大多数情况下 ， 牛顿的引力定律是还是很准确的 ， 而且是非常实用的 。 只是在小的问题上遇到了瓶颈 ， 比如无法解释水星近日点的进动问题 ， 还有与狭义相对论的不兼容问题 ， 这些问题都由广义相对论完美的解决了 。 可以这样说 ， 广义相对论和万有引力定律都是对的 。 相比于万有引力定律 ， 运用广义相对论计算的结果更逼近于实际测量值 。 从某种程度看 ， 万有引力定律只是广义相对论在弱引力场中的一种近似理论 。 但是万有引力定律有一个巨大优势：计算简洁 。 由于广义相对论公式的反常及难以理解 ， 不管是在学习还是在应用中大量使用它们都会造成不方便 ， 所以万有引力规律比广义相对论应用得更加广泛 。


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