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学者:行星围绕太阳的运动是惯性 不需要万有引力

www.zaoan.cc 2018年02月08日 08:35来源:钱柜娱乐官网

苹果因为引力落地? 这会不会是错觉

时空弯曲与光线的引力偏折。(图片来源:科技日报)

本报记者 徐 玢

从牛顿时代开始,引力便出现在科学研究的各种场合。而最近,它帮助人类“看”到了银河系外的行星。美国俄克拉荷马大学的天文学家近日发表论文称,他们利用美国国家航空航天局钱德拉X射线卫星的数据以及微引力透镜效应,在一个距离我们38亿光年的星系中找到了一批行星,这是人类第一次发现银河系外行星。

引力不是物质之间剪不断的相互吸引吗?它为何能帮助科学家“看见”行星?它的本质到底是什么?

让苹果落地,也让行星绕转太阳

提起引力,人们总会想起苹果落地的故事。故事说的是坐在苹果树下的牛顿正为行星运动问题苦思冥想时,一个苹果落在他面前,使他顿悟到使苹果落到地面的重力,正是使月球围绕地球运行的力;地球不仅吸引着苹果,也吸引着地球表面上的一切物体,包括遥远的星星。

如今,这个故事的真实性颇受争议,而且已经无从考证。不过可以确定的是,引力的提出过程,并不是灵感式的顿悟那样简单。

早在十七世纪初,开普勒根据前人第谷·布拉赫的观测数据,总结出太阳系行星运行规律,并提出行星运动三大定律。这三大定律分别涉及太阳系行星的轨道形状、运行速度以及运行周期,对行星运动的轨道规律进行了说明。

开普勒的行星运动三定律真正使太阳成为太阳系行星轨道的中心,也让科学家开始思考,为什么行星会围绕着太阳运动?是什么支配着它们的运动?

牛顿从十七世纪六十年代开始思考这一问题。他从开普勒第三定律推算出,行星保持围绕太阳运动所需要的力与它们到太阳距离的平方成正比。这便是万有引力的雏形。

但系统地提出万有引力,要等到1687年。在这20年间,牛顿对行星椭圆轨道以及与距离平方成反比的力之间的相互关系进行了深入研究,并对引力的普遍性进行了思考。

1687年,《自然哲学的科学原理》出版。在这一科学巨著中,牛顿提出了三大运动定律和万有引力定律。他认为,两个物体之间存在相互的吸引力,这就是万有引力。这个力的大小与两个物体质量的乘积成正比,与物体间距离的平方成反比。从万有引力定律,可以推导出开普勒三定律。这说明行星正是在星体之间的万有引力支配下运动。

万有引力的提出,揭开了日月星辰运行的内在奥秘。它成为人类理解和认识世界的重要基石。牛顿本人用万有引力定律对潮汐、行星岁差等现象进行了解释,牛顿的好友哈雷利用它预言了哈雷彗星的回归周期,法国天文学家勒维耶则由万有引力推算出了海王星的存在。对航空航天事业发挥重要作用的第一、第二、第三宇宙速度的推算,也都有着万有引力定律的身影。

值得一提的是,在牛顿的万有引力公式中,有一个万有引力常数G。直到万有引力问世一百多年后,它才由英国科学家卡文迪许用一个设计精妙的扭秤测出,使万有引力定律更趋完善。

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用微引力透镜寻找行星示意图。(图片来源:科技日报)

本质上不存在,只是时空的错觉

虽然一度被认为是极其精确、完美的理论,牛顿的万有引力理论也有它的局限。比如,它无法解释引力的本质是什么。还有一些自然现象,牛顿的万有引力也无法解释。

天文观测早已发现,水星轨道的近日点以十分缓慢的速度围绕太阳发生位移,这被称为水星近日点进动。根据万有引力定律可以计算出这种进动的速度,然而它与实际观测得到的精确数值之间存在差异,每一百年的差异值为43角秒。为了弥补这一差异,科学家做了各种尝试,比如假定水星附近还有一颗会影响其轨道的“火神星”,或者对引力的平方反比关系进行修正,又或者采纳电磁理论来进行解释。这些尝试无一得到证实,直到爱因斯坦出现。

1905年,爱因斯坦以光速不变原理为基础,完成了狭义相对论的创建,预言物体在高速运动情况下,会出现牛顿经典物理学中没有的相对论效应。10年后,划时代的广义相对论问世,目标直指引力的来源和本质。

与牛顿的理论不同,在广义相对论中,时间和空间不再是相对独立的存在。考量物体运动的场景,不再是三维空间,而是时间与空间相互联系的四维空间——时空。物体的运动反过来又会对时空发生影响。

这两种空间很不同。牛顿的三维空间是欧几里得平直空间,牛顿经典物理学的所有理论都建立在这个基础之上。爱因斯坦的四维时空则可能不是平直的——它可能是以球面为代表的正曲率空间,也可能是以马鞍面为代表的负曲率空间,只有在曲率为零时它简化为平直空间。而时空的曲率,由其中的物质决定。

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