“万有引力”,这个名字或许对你而言,耳熟能详。远在三个多世纪之前,艾萨克·牛顿就已经为我们揭示了这股自然之力的法则,它使万物相互吸引,彼此依存。

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然而,若你仅仅将它理解为一种简单的吸引力,那你可能对它的本质知之甚少。让我们深入探究一下,牛顿是如何演绎出这引力定律,以及爱因斯坦又是如何解构引力的实质,让你对引力有更为深刻的认识。

“我之所以能看得更远,那是因为我站在了巨人的肩膀上。”这句话正是出自牛顿之口,它也揭示了一个事实:在牛顿之前,人们就已经开始探索宇宙规律,并取得了不俗的成果。而牛顿则站在前人的成就上,提出了万有引力定律,这仿佛是水到渠成的自然过程。

我们不妨从地心说谈起。长久以来,人们普遍相信地球是宇宙中心,毕竟他们日复一日地看到日月星辰围绕着地球转动。

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然而,哥白尼提出的“日心说”让那些坚守地心说的人感到了巨大的危机。哥白尼认为,若所有的天体都围绕着地球旋转,其轨迹将十分复杂。但若它们围绕着太阳运动,轨迹则会简单得多。

基于“奥卡姆剃刀原理”——简洁是科学的美,哥白尼提出了日心说。但众所周知,哥白尼因此付出了生命的代价。

尽管教会的残暴阻挡不了追求真理的步伐,布鲁诺作为哥白尼的继承者,提出了更激进的观点,他认为宇宙是无限的,太阳不过是其中一颗平凡的恒星。这个观点对于罗马教会来说是亵渎,布鲁诺也像他的前辈一样,遭受了火刑。

接着,开普勒接替了他的老师第谷,继承了他的研究,提出了著名的三大定律。

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第一定律阐述了:行星运行的轨道是椭圆的,太阳就处在椭圆的一个焦点。

第二定律指出:行星围绕太阳的速度不是恒定的,而是在离太阳近时速度更快,但单位时间里扫过的面积是相等的。

第三定律则是:行星的公转周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。

开普勒的这三大定律,为牛顿后来提出万有引力定律提供了坚实的基础。

除了开普勒,牛顿所谓的“巨人”还包括伽利略

伽利略敏锐地洞察到了万物运动的规律:若一个物体不受外力作用,则会保持最初的状态,要么静止,要么做匀速直线运动。这正是我们所称的惯性定律,尽管伽利略没有明确提出这一概念。

在伽利略和开普勒的理论基础上,牛顿终于提出了著名的万有引力定律。

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普通人也会好奇,为何地球的运动不是匀速直线运动。当时的人们已经了解,地球绕太阳的运动轨迹是椭圆的,并不是匀速直线运动。而太空中的地球似乎并未受到外力作用,因此,它本应是匀速直线运动。这说明,地球肯定受到了某种外力影响。

这个外力来自何处?是否来自太阳?

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牛顿受苹果落地的启示,大胆推测这种外力作用来自太阳,并由此推演出万有引力定律。

牛顿推测,地球就像落地的苹果一样,本应朝太阳落去,但由于地球自诞生起就有很大的初速度,这个速度保证了地球总是朝太阳坠落,但不会真的坠入太阳。

牛顿结合开普勒的定律,提出了万有引力的公式。

然而,关于引力的认识,才刚刚起步。尽管万有引力定律简洁而优美,但一个更基本的问题摆在牛顿面前:引力是如何产生的?

牛顿明白,若不能解释这个问题,万有引力定律就有了漏洞。但他也认识到,对于那个时代而言,这个问题过于深奥。尽管牛顿的智慧不可估量,但他同样无法摆脱时代的局限。因此,牛顿只能回答说:“不知道,这可能只有上帝才知道。”

尽管牛顿对此有所不甘,但他也无能为力。我们不能期待一个人能预见未来数百年的科学发展。

然而,正是这个问题,为广义相对论的出现埋下了伏笔。然后,便是爱因斯坦的登场。

在爱因斯坦出现之前,我们不妨再看看牛顿对引力的深入思考。虽然他不知道引力如何产生,但牛顿深入思考了两个物体间引力的传递机制。

在我们日常生活中,要移动任何物体,都需要接触它,比如移动一张桌子,我们需要接触到它才能施加力量,无法“隔空取物”。这表明,力的传递需要媒介,如手就是移动桌子的媒介,吹灭蜡烛时,空气是媒介,水的振动则是通过水体传递的。

因此,牛顿自然认为引力的传递也需要媒介。他发现,在浩瀚的宇宙中,两个遥远的天体之间的引力传递是如何进行的呢?经过思考,牛顿最终提出了“以太”作为引力传递的媒介,以太充满了整个宇宙,虽然我们无法直接观测到它。

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然而,正是“以太”的概念,在19世纪末至20世纪初,几乎颠覆了整个物理学界。

简而言之,在寻找“以太”证据的过程中,科学家们发现以太并不存在。如果以太不存在,那意味着引力成了“超距作用”,即引力的传递是瞬间的,不需要时间。这对于牛顿来说,也是难以接受的结论。

直到爱因斯坦提出了广义相对论,用时空弯曲来解释引力的本质,才解决了引力传递和媒介的问题。

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根据时空弯曲理论,并不存在引力或以太的概念,引力只是一种表象,而时空弯曲才是本质。任何具有质量的物体都会使时空弯曲,尤其是大质量的天体对时空的弯曲更显著。而物体在弯曲的时空中运动,会沿着弯曲的时空做“测地线”运动,这便是我们所观察到的引力。

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对于时空弯曲的理解,许多人有所误解,这主要是由网络上的一些不精确示意图引起的。这些图示通常将时空弯曲描述为像弹簧床一样,在重物的压力下产生弯曲。这导致许多人误以为是引力导致了时空弯曲,而非时空弯曲导致了引力。

实际上,时空弯曲的方向并不是向下的,在太空中也不存在“上下”的概念,时空的弯曲是朝向物体的质心,是四面八方同时发生的。至于为何有质量的物体能使时空弯曲,我们并不清楚原因,爱因斯坦也未给出答案。这个问题只能留给未来的科学家去解答,就如同牛顿对引力本质的描述一样:“只有上帝知道!”