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引力的作用方式:空间扭曲


  牛顿发现并总结出的万有引力公式极大地推进了人类探索世界的进程。在牛顿经典力学中有一个假定:物体之间的相互作用是瞬间到达的,不受时间和空间的影响,也就是超距作用。这似乎有些违背我们的认知,就连牛顿本人也这样讲道:“非生命物质不借任何其它非物质形式的中介而能无接触地发生相互作用,是无人能信的。”“引力必然有一个以一定规律持续作用的动因,不论这动因是物质的还是非物质的”。牛顿给后来的物理学家们留下了一个待解的谜团。
  在百年后,另一位物理学的伟人爱因斯坦向这一谜团发起了挑战,他提出了一个大胆的猜想:引力的作用是物质对空间产生了影响,使周围的空间产生了弯曲。为了使这一理论更加通俗易懂,我们先以一个二维平面为例。我们可以假设空间是一张足够有弹性的橡皮膜,当我们把太阳放在膜上时,膜会因为太阳的质量而下陷,此时太阳就像身处一片“洼地”一般。不难想到,太阳的质量越大,这片“洼地”的直径也就越大。此时将地球推入坑内,地球就会沿着太阳压出的坑滚动,如果地球的速度足够大就能冲出坑去,这就是逃逸速度。如果未达到逃逸速度,地球就会被太阳捕获并在太阳的轨道内运行。我们再将这一平面拓展到三维空间里,就可以得到太阳引力的立体图形,距离太阳越近,空间被扭曲的程度越大,代表此处的引力越大。同理,地球和月亮的关系也是如此。
  这一理论完美解释了引力的作用方式,但问题也随之而来:如何验证大质量天体对空间的扭曲呢?爱因斯坦想到了一种方法:既然光也是沿着空间传播的,那传播路径也应该受到引力的影响而被弯曲。将我们在日食时观测到的恒星位置与半年前或半年后的夜晚里(没有太阳引力影响)观测到的恒星位置作对比,就能计算出恒星位置的偏移量。1919年5月29日日食期间,在格林尼治天文台台长戴森爵士的鼓励下,天文学家A·爱丁顿组织了一支考察队前往西非的普林西比岛验证这一理论。经过5个月的分析后,皇家学会和皇家天文学会联合宣布,爱因斯坦的理论被成功证实,引力透镜实验的成功标志着广义相对论的正确性得到了证明。
  随着科学水平的进步,广义相对论接受了多次验证,最近也是最精确的一次实验是2022年9月对广义相对论中的核心原理—弱等效原理进行的测试,再次证明了广义相对论的正确性。广义相对论中预言的天体—黑洞的被观测也将这一理论提升到了新的高度。相信在未来,广义相对论还会不断得到验证,是物理学的金科玉律还是会被新理论所取代,一切都是未知数。

(彪轶辰)


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