为什么阿尔伯特 爱因斯坦说“引力不存在”? 他想表达什么?

小夏 科学 更新 2024-02-02

看待任何问题,都不能只凭一句话就得出结论,这很容易导致误解,片面认识事物本身,甚至完全歪曲事物的本质。 要结合前后的语境,尤其是当时的社会背景来理解句子的真正含义,否则很容易断章取义。

首先,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)说过这样的话”。万有引力不存在“是这样吗?

它确实说过。 当然,如果你必须提高标准,“你听到爱因斯坦亲耳说过吗? 那我就无话可说了。

但是,我们不能仅仅因为爱因斯坦说“万有引力不存在”,就完全“放任自流”,认为牛顿的万有引力理论是完全错误的,甚至否定牛顿提出的所有理论。

当然,这是不可取的,我们需要了解爱因斯坦说“引力不存在”这句话的背景,以及他为什么这么说。

让我们详细看看时代背景,从牛顿时代开始。

我们都知道,300多年前,牛顿在开普勒、伽利略等巨人的“肩膀”上提出了万有引力的伟大理论,认为宇宙万物之间都会产生万有引力,引力的大小与质量成正比,与距离的平方成反比。

当时的牛顿认为重力是一种远距离动作,可以是瞬时的,也就是说,重力的传播不需要任何时间,是瞬时的。

牛顿的万有引力理论确实可以很好地解释宇宙中万物的运行。 然而,万有引力理论也有一个致命的“弱点”:无处不在的引力究竟是如何传递的?

根据万有引力理论,两个相距很远的物体之间存在着万有引力,但是两个物体之间的万有引力是如何跨越时空相互传递的呢?

牛顿当然知道他的万有引力理论是有缺陷的,他无法解释万有引力是如何传递的,万有引力是如何产生的。 但以牛顿那个时代的科学知识水平,这个问题对他来说有点困难。 牛顿是伟大的,但一个人再伟大,也逃不掉时代的束缚,任何时代都一定有局限性,没有人能突破这些局限性。

几百年后,这个问题留给了另一个同样伟大的人物,他就是阿尔伯特·爱因斯坦。

阿尔伯特·爱因斯坦还思考了引力的起源以及为什么会有引力这样的力。

然而,爱因斯坦在完全不同的层面上思考这个问题,不是从引力本身,而是从引申而来时空的属性。

1915年,阿尔伯特·爱因斯坦提出了伟大的广义相对论,该理论根据时空曲率定义了引力的性质。 也就是说,引力实际上只是时空曲率的表现,重力也不是超距离效应。 当然,你也可以认为引力是不存在的,它只是时空曲率的外在表现。

根据广义相对论的解释,时空本身是很有弹性的,时空中任何物体的运动都会对周围的时空产生不同程度的影响,就像我们把石头扔进池塘里一样,池塘里的水会产生涟漪或漩涡,自然会影响池塘里的物体。

此外,任何物体,无论其质量如何,都会对周围的时空结构产生影响,但程度不同。

物体对时空的扰动会自然形成“时间陷阱”或“时间漩涡”。,也就是时空畸变,而这种畸变当然也会影响到周围的物体,导致周围的物体朝着“时空下沉或漩涡”的方向移动,这就是重力。

换句话说,宇宙中的一切都实际上是沿着弯曲的时空进行的。测地线“运动,即所谓的测地线,是四维时空中最短的距离,也是四维时空中的”直线“距离,但从三维角度看是弯曲的。

然而,只有大质量天体引起的时空曲率才会更明显,质量较小的天体对时空的曲率程度非常微弱,难以表现出来。

说到时空弯曲,这里需要强调的是,在网络上描述时空弯曲时,会以“弹簧床向下弯曲”的形式来描述,其实这种描述方式并不严谨,因为空间上没有“上下”的概念,时空弯曲当然不知道如何“向下”弯曲。

实际上时空的完整方向是朝向物体质心的方向,而不是“向下”。 当然,网络上的示意图更像是一种描述时空曲率的流行方式,这对我们来说更方便理解,但很多时候流行往往意味着不那么严谨。

那么问题来了,既然万有引力的本质是时空的曲率,也就是说,万有引力实际上并不存在,为什么牛顿的万有引力理论没有被淘汰呢? 即使是现在,支配我们生活的是引力理论,而不是相对论?

原因很简单,虽然科学是一门非常严谨的学科,但科学最终是为人类服务的,这意味着严谨并不是人们最看重的实用性更强大是人们看重的东西。

一般来说,不管是黑猫还是白猫,抓老鼠都是好猫。

与爱因斯坦广义相对论体系的引力场方程相比,牛顿的万有引力理论实际上是一种近似,是引力场方程在低重力情况下的特例和近似。 也就是说,引力可以解释的,引力场方程也可以解释,而引力不能解释的,广义相对论和引力场方程也可以解释,比如水星的进动问题,万有引力理论不能解释,但是可以很好地用时空曲率来解释。

但不要以为引力作为近似值是无用的:当引力场有更精确的方程时,为什么要使用不太精确的万有引力定律呢?

正如我刚才所说,科学已经进入了人类的生活,它更加实用,万有引力理论的实用性远胜于时空的弯曲。 说白了,虽然引力只是时空曲率的近似值,但误差可以忽略不计,根本不会对我们的日常生活产生任何影响。

更重要的是,牛顿的万有引力方程非常简单,你可以在初中数学水平上理解和计算它。

另一方面,广义相对论体系下的引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程组,这个方程的求解是相当困难的,就连爱因斯坦本人也通过许多近似方法从引力场方程中做出了许多预测。

类比用于理解引力和引力场方程之间的区别。

你买了一袋20斤的大米,想把大米搬到你家,你的房子在6楼,没有电梯,你会怎么做?

只要20斤大米,任何一个大人都应该选择自己扛到6楼,当然,你也可以请别人扛,无非就是花点钱,总之,你会选择用人直接扛。

但是,如果你用一台超大的起重机把那袋大米直接吊到6楼呢?

当然,从理论上讲,这是可能的,但这涉及到实用性问题:现实中谁会用起重机携带一袋 20 公斤的大米?

选择万有引力,就像选择用人背着,万有引力场方程就相当于那台巨大的起重机。 使用起重机看起来比较轻松,但实际上不太可行,会带来更多的麻烦,这是完全没有必要的。

这就是为什么不是广义相对论,不是时空曲率,而是牛顿提出的万有引力定律支配着我们今天的日常生活。

例如,火箭发射,各种卫星和探测器发射,使用的理论是万有引力理论,对于火星卫星的发射来说,这已经足够精确了。 这个微不足道的错误甚至比不上你打喷嚏对火箭发射的影响!

当然,这并不是说爱因斯坦的广义相对论毫无用处,而只是意味着在我们地球这个狭小的空间里,广义相对论的“英雄”根本就没有用,它的用处就在那里太空是浩瀚的宇宙。人类最终将离开地球,飞向浩瀚的太空,那一天将是广义相对论统治的时代。

相对论最典型的用途是卫星定位系统。 由于导航卫星通常在距离地面20,000公里以上的太空中,因此速度可以达到140,000公里。

在狭义相对论中,速度越快,时间越慢,卫星上的时间每天比地面上的时间慢7微秒。

从广义相对论的角度来看,卫星在天空中的引力更小,时间会更快,每天比地面时间快45微秒左右。

加起来,卫星的时间比每天在地面上的时间还要快38 微秒周围。 一秒相当于一百万微秒,38微秒是很短的时间,但不要小看这么短的时间,如果你不纠正卫星上的时间,每天累积的误差很可能让导航系统直接把你导航到沟里!

总结

在这一点上,我们应该理解为什么爱因斯坦说“万有引力不存在”,爱因斯坦只是描述了万有引力的本质,这样我们才能更准确地理解世界的规律。

事实上,时空弯曲可能不是最准确的,时空弯曲的解释并不是终极真理,爱因斯坦也没有解释为什么时空会弯曲,这个问题自然留给了下一个伟大的物理学家!

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