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宇宙秩序規(guī)則的締造者-引力，這個定義似乎沒錯，因為在我們觀測到的所有天體的運行，無一不遵循引力的規(guī)則，那么真實我們這個宇宙的“上帝”？其實未必，因為物質(zhì)世界規(guī)則締造者有四個，而引力只是其中一個而已。 一、物質(zhì)世界的主導 物質(zhì)世界有四種基本作用力，分別是引力、電磁力、強相互作用力和若相互作用力，它們應對的范圍各不相同，在各自的崗位上各司其職。
當然引力可囊括一切，這理解并沒有錯，但在微觀尺度下，引力的作用基本是可以忽略的。猶如強龍不壓地頭蛇，在微觀世界中的界限劃分可是很清楚的。 我們的物質(zhì)世界有起到磚塊作用的費米子和粘合作用的玻色子組成，盡管在粒子模型中名字各異，但都可以歸類到這個大類里，比在帶電粒子之間傳遞電磁力的是光子，夸克間起到粘合作用的是膠子，而弱相互作用則是又由W和Z玻色子傳遞！ 基本作用力的傳遞說完了？對，說完了！ 為什么只說了三個，傳遞引力的引力子呢？被吃掉了嗎？實在抱歉種花家根本吃不了引力子，但也不能憑空創(chuàng)造出一個引力子，至少在現(xiàn)在，它還沒有在標準粒子模型中出現(xiàn)的資格，因此對廣義相對論的量子化道路上仍然很漫長哦。介紹引力，我們還是得從牛頓經(jīng)典力學開始！ 預測中的引力子，我們祝愿物理學家早日找到。 二、從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的廣義相對論 聽說牛頓被蘋果砸到了才發(fā)現(xiàn)了萬有引力，當然這個橋段你可以繼續(xù)當故事講給你家小朋友聽，但卻不合適在正式場合引用，除非你打算活躍一下氣氛！他發(fā)現(xiàn)萬有引力定律是因為哥白尼的日心說，以及開普勒的行星三大定律給他架好了梯子，所以牛頓才會說“他站在巨人的肩膀上”，盡管他現(xiàn)實中毫不客氣，比如他就仗著英國皇家學會會長的權(quán)利擺了萊布尼茲一道。 當然我們今天并非是萊布尼茲抱不平，因為微積分思想、方法與符號的都是萊布尼茲的。我們討論萬有引力，現(xiàn)在理解起來很簡單，如上圖，無論天體質(zhì)量大小如何，它們之間的引力都是相等的，這與它們之間的質(zhì)量之積成正比，與它們距離的平方成反比，當然還有一個萬有引力常數(shù)，直到牛頓去世都還沒測出G的值是多大，但在70年后卡文迪許巧妙的用扭稱解決了這個難題。自此萬有引力定理大行其道，天體間所有行為都可以以此為基礎(chǔ)展開計算。 萬有引力的尷尬 是什么傳遞了萬有引力？因為在牛頓時代對力理解是力的傳遞必須要有一種介質(zhì)，會是哪種介質(zhì)呢？真空肯定不能傳遞力，因此可愛的牛頓勛爵“盜用”了亞歷山多德“以太”的概念，他認為宇宙中充滿了看不見的“以太”傳遞了萬有引力！ 經(jīng)典力學“以太夢”的破滅 牛頓成功的將萬有引力的傳遞媒介給粗暴的解釋了，但他管殺不管埋，“以太”這種物質(zhì)就只能讓后人來尋找了，但這個“以太”的概念困擾了西方科學界數(shù)百年，直到一個經(jīng)典的、足以驗證“以太”的物理實驗展開，但它驗證的卻不是“以太”存在，而是從根本上否定了以太。 邁克爾遜-莫雷實驗 其實邁克爾遜-莫雷實驗很單純，受到經(jīng)典力學的影響，當時的科學界認為光的傳播介質(zhì)也是“以太”，那么問題來了，地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)速度30千米/秒，那么肯定會有“以太風”，而光在以太風傳播肯定會受到影響。  邁克爾遜-莫雷實驗裝置 但原本證明以太的實驗卻否定了以太，這讓牛頓情何以堪呢？幸虧在邁克爾遜-莫雷實驗之時已經(jīng)是1887年，此時距離牛頓去世已經(jīng)將近160年，要不然讓牛頓老臉往哪兒擱啊！其實這還有個故事，盡管邁克爾遜-莫雷實驗否定了以太的存在，但當時莫雷并不相信自己驗證的結(jié)果，而是反復與米勒設(shè)置改進后的實驗環(huán)境，試圖找出問題所在，而且各路人馬也加進了驗證實驗的大軍。 設(shè)備越來越先進，條件越來越苛刻，最終結(jié)果卻逐漸趨向于測量誤差。當然現(xiàn)代實驗準確無誤的推翻了上述各種結(jié)論，但在此之前洛倫茲等科學家早已認為所謂的以太速度不過就是誤差而已。 水星進動-屋漏偏逢連夜雨的牛頓經(jīng)典力學 牛頓經(jīng)典力學就像一艘到處破了洞卻還在大海上行駛的船，以太這個大洞還沒補上，卻又破了一個水星進動的大洞，其實準確的說，水近日點進動這個大洞還破的更早一些！ 在萬有引力的理想狀態(tài)下，行星在圍繞恒星公轉(zhuǎn)時，比如一顆恒星與一顆行星的條件下，行星的軌道會是一個永遠都不會改變的橢圓但穩(wěn)定的軌道，但當這個恒星系有其他行星時，會受到各種干擾，產(chǎn)生進動，如上圖，這種軌道進動是可以被觀測和計算的。但1859年法國天文學家勒維耶發(fā)現(xiàn)水星的實際軌道進動與預期的并不十分相符，在觀測水星軌道的近日點進動時，觀測結(jié)果與計算結(jié)果相違背： 觀測結(jié)果：5,600.73角秒/100年 計算結(jié)果：5,557.62角秒/100年 兩者相差43.11角秒（其實勒維耶觀測的差異是38角秒），這就是水星近日點進動問題的由來，當時的解釋也五花八門，甚至還懷疑水星軌道內(nèi)還有一個天體。 當然我們現(xiàn)在知道水星進動問題是因為水星偏心率很高，近日點距離太陽很近時在太陽巨大質(zhì)量導致彎曲時空中運行，它所經(jīng)過的真正距離與遠日點是有差異的。 廣義相對論 如果用一句話來概括廣義相對論的話，那么用“引力是時空的幾何”是最合適的，在這里有一個很關(guān)鍵的名詞是時空，廣義相對論中認為時空是一個不可分割的整體，空間的幾何變化同時會產(chǎn)生時間的變化。廣義相對論將宇宙時空這個不可分割的結(jié)構(gòu)看成是一個彎曲的黎曼流形，可以用數(shù)學中的黎曼度量來定義這個空間的彎曲。廣義相對論認為這個量就是天體引力交互的作用勢。 上圖是愛因斯坦的引力場方程，當然早期還有一個宇宙常數(shù)。這個方程在計算球?qū)ΨQ天體引力場的引力與牛頓萬有引力公式是相同的，這表示廣義相對論可以完美包容牛頓的萬有引力，并且還補上牛頓萬有引力傳遞介質(zhì)“以太”的超級大坑。另外順帶將掉在水星進動迷霧中的一大波天文學家拉了出來。 “宇宙時空的彎曲 =引力場” 美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒對廣義相對論的理解可謂是一針見血：“質(zhì)量告訴時空怎么彎曲。時空告訴質(zhì)量怎么運動”，不理解廣義相對論這完全沒有問題，但一定要記得這句話，因為裝B的時候到了。 當然愛因斯坦的引力場方程驗證理論并不只有水星進動，還有1919年英國天文學家愛丁頓帶隊驗證廣義相對論預言的日食光線彎曲，以及后期的觀測到引力透鏡現(xiàn)象（愛因斯坦環(huán)，愛因斯坦十字架），這都在實際觀測中驗證了愛因斯坦的理論模型。 哈勃太空望遠鏡觀測到的愛因斯坦環(huán)，猶如一層“日暈”的效果就是引力透鏡效應。
愛因斯坦十字架，看起來像一片苜蓿葉，其實是前景星系的強大引力場，把遙遠類星體的光，分裂成了四個單獨的圖像。
當然這個引力透鏡效應也成了確定暗物質(zhì)分布的有力工具，比如國家天文臺舒軼平博士和毛淑德研究員就通過哈勃望遠鏡合作觀測期間選擇了背景天體為萊曼alpha發(fā)射體的引力透鏡來提高暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的精度，因為背景天體越小，能探測到暗物質(zhì)子暈的質(zhì)量就越低，萊曼alpha發(fā)射體是大質(zhì)量恒星系的種子星系，能將靈敏度提高一個數(shù)量級左右。
哈勃獲得的21個強引力透鏡候選者，圍繞著前景透鏡星系的藍紫色結(jié)構(gòu)就是背景萊曼alpha發(fā)射體的多重像。 三、產(chǎn)生引力的彎曲空間還是引力子？ 迄今為止能夠驗證天體運行理論模型的依然是彎曲空間，當然LIGO在2015年9月14探測到引力波事件只是引力彎曲空間理論上的神補刀而已。而引力子則到現(xiàn)在為止還停留在傳遞引力的“假設(shè)粒子”階段，對于未來是否會發(fā)現(xiàn)“引力子”，這是一個問題，但追求事件背后的本質(zhì)一直都是人類探索未知世界的原動力，無論未來會驗證出什么結(jié)果，這都是人類科學的進步。 “宇宙很奇妙，但我們想了解其本質(zhì)”--星辰大海路上的種花家 |
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