重力
几个世纪前,牛顿首先发现了万有引力。他认为万有引力是普遍存在的,存在于天空中的所有天体之中,正是万有引力维持着天体的运动。牛顿甚至给出了万有引力的计算公式。不过,他并没有给出重力如何产生这一根本问题的答案。
牛顿和行星轨道
成功的牛顿引力理论
但未能解释引力的起源并没有阻止牛顿引力理论的巨大成功。正是牛顿的好朋友物理学家哈雷首先运用牛顿的理论计算出了哈雷彗星的公转周期,并成功预测了哈雷彗星的返回时间;
哈雷和哈雷彗星
最后,奥班·勒维耶和约翰·柯西·亚当斯利用牛顿理论独立计算了太阳系第八大行星海王星的轨道和位置。 1846年9月23日,天文学家约翰·杰弗里·恩·加勒通过计算的位置成功找到了海王星!实际观察到的位置与勒威耶的计算值相差不到 1°。因此,海王星被称为“笔尖下的行星”。它是太阳系中唯一可以完全用笔和纸计算的行星。
海王星及其发现者
牛顿万有引力理论的失败
尽管牛顿的理论有如此显着的记录和成功,但人们很快就发现了一个问题。勒维耶的计算发现,观测者对水星近日点进动的计算值与牛顿理论的计算值存在差异。根据他的计算,在排除岁差和已知行星的引力摄动等已知因素后,理论计算和实际观测仍然存在每100年约38英寸的误差(后来这个误差被修正为43.11) “每世纪),勒维耶认为水星轨道内可能存在一颗未知的行星。然而天文学家一直无法观测到这颗行星,最终排除了这种可能性,牛顿理论中无法解释的错误成为了“事实”。勒威耶的成功或失败确实如此。
水星近日点进动
新理论诞生
直到上世纪初,头脑聪明的爱因斯坦才向统治物理世界数百年的牛顿万有引力理论发起了挑战。他通过严谨的推理指出,引力可能根本不存在,而只是时空弯曲的一种表现!爱因斯坦依靠等效原理和广义相对论原理,于1916年提出了一种新的引力理论——广义相对论。
给出广义相对论的引力场方程后,爱因斯坦立即通过弱场近似法求解了引力场方程网校头条,并给出了广义相对论和牛顿理论下计算的水星近日点进动的误差值为43.03,即43.03,这是一致的与牛顿理论。实际观测值非常接近。虽然爱因斯坦只用了近似的方法来解决问题,但足以证明广义相对论比牛顿理论更准确。到目前为止,科学家们还没有找到比爱因斯坦广义相对论更准确的引力理论物理学家哈雷与牛顿,所以我们可以暂时以广义相对论作为解释引力来源的正确理论。
弯曲时空下水星近日点进动
引力的本质——空间和时间的曲率
美国物理学家惠勒曾用一句话来形容这一伟大的引力理论:时空告诉物质如何运动;时空告诉物质如何运动。物质告诉时空如何弯曲。
这句话指出,在广义相对论中,所谓引力就是时空弯曲变形的效应。弯曲的时空改变了物质的运动状态物理学家哈雷与牛顿,就像重力改变了物质的运动状态一样;另一方面,时空的弯曲是由物质(能量动量)的分布引起的。
弯曲时空中运动的天体
未解之谜
尽管广义相对论成功地解释了引力的起源,但它并没有解释一个基本问题,即物质如何导致时空弯曲?这个问题可能要留待新的统一理论来解释,也可能永远无法解释……有一个类似于人择原理的解释:因为它就是这样。