想象力

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

kiki · 2月17日 · 2020年

我们都知道牛顿引力统摄宇宙两百多年,最后在水星问题上栽了跟头,爱因斯坦的横空出世,让昔日光彩夺目的牛顿理论不再辉煌,今天我们就说下牛顿的理论和爱因斯坦的理论哪里不兼容?也就是说它们的区别到底在哪?

敢问敢想,牛顿引力都出现了那些问题

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

牛顿的引力定律十分简明、直观:假如你有任意两个物体,并将它们任意放在宇宙中的两个位置,它们之间就会有相互的引力作用,其大小相等,方向相反。如果已知物体的位置和质量数据,只要将其代入这个定律的公式,就能算出物体受到的引力有多大。这个关于自然规律的定律既清晰又深邃,既适用于地球表面的一切事物,也适用于恒星、行星、卫星、彗星等天体世界,其能力令人惊叹。

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但是,无论牛顿定律的推算结果多少次获得了观测者们的认同,在关于水星轨道进动的问题上,它却始终表现得很乏力。当然,谁也不愿意轻易断言牛顿定律错了。

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从17世纪牛顿提出这个定律起,几百年来,从钟摆的往复运动到行星及其卫星之间的引潮力,凡是在重力统摄下的物体的运动状态,几乎都没有逃出依据这个定律做出的预测。不过,在推算水星轨道进动时出现的瑕疵,或许为这个定律的局限性揭开了冰山一角。

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人们开始猜测,牛顿对宇宙万物运行机制的整体理解,有可能在最为基础的层面上存在着值得商榷的地方。其实,只要敢问敢想,确实能够发现一些让牛顿定律显得有点尴尬的问题,比如:假定太阳突然间不存在了,会发生什么?这个问题的意思是说,假如把太阳从整个太阳系中乃至整个宇宙中突然移走,各大行星接下来将如何运动?

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由于从太阳到地球有大约1 亿5千万千米的路程,光线走完这段路程需要8分钟多一点的时间,那么在太阳突然消失之后的8分钟里,地球上应该依然阳光普照,谁也不知道太阳没有了。但是太阳消失之后,重力也应该立刻就消失了,那么地球和其他行星会不会像刚刚被运动员松开手之后的链球那样,立即脱离公转轨道,径直飞向外太空呢?或者,它们仍然会在轨道上正常运行一小会儿,等到太阳引力消失的后果传到它们身上之后再脱轨?

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牛顿定律给出的答案更接近前者,即牛顿假定万有引力是能够瞬间传递,其传递速度是无穷高的,但他拿不出一个足够严格的证明去说明后一种猜测不正确。可以说这是牛顿定律无法彻底解答的一个问题。

狭义相对论和牛顿理论的不兼容

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狭义相对论被提出之后,我们有了新的可以诘问牛顿的例子。比如,爱因斯坦著名的质能方程表明,质量只是能量的一种表现形式,那么这是不是等于在说,能量的其他表现形式也跟质量一样,可以体现万有引力的作用呢?一束光可以吸引其他物体,并被其他物体所吸引吗?牛顿的引力定律对这种问题也无法给出回答。

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类似的问题还有:假如一个物体正在相对于另一个物体运动,此时它们之间的引力作用会有什么变化?或者,仍然与两者相对保持静止时没有区别?狭义相对论指出物体在运动时,其尺度会在运动方向上收缩,那么此时要计算二者间的引力,距离数值是用因物体收缩而增长了的距离呢(对处于运动物体上的观察者而言),还是用不考虑收缩效应的距离呢(对处于静止物体上的观察者而言)?

同理,运动物体的质量会变大,那么万有引力公式中的质量值到底是该用物体静止时的质量,还是该用因为运动而增加了的质量呢?

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除此之外,当两个物体之间有相对运动时,相互的引力作用会随时间而变化。我们知道,当两个带有电荷的粒子之间做这种相对运动时,它们会辐射出能量。那么,如果“质量”只是一种承载着引力的“引力荷”,则两个物体做相对运动时会不会放出引力类的辐射呢?

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对自牛顿肇始的引力理论来说,这些出色的问题重如干钧,因为牛顿的理论面对这些问题不但不能正确地做出回答,在大多数情况下甚至连一个答复都给不出来!这一理论基于一种假设:宇宙中的物质数量是永恒不变的,处于任何位置的任何物质,在任何时刻都与宇宙中其他的所有物质之间有着相互的引力作用,而且这种作用的传导速度无限快,不需要时间过程。另外,牛顿虽然没有明确说过时间和空间也是绝对的、普遍适用的体系,但他的理论无疑间接地支持着这种观点。

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

相对论则用“相对”一词告诉我们:空间中的距离、时间的流逝,这些都不能绝对地计量,它们总是受到物体之间相对运动状况的影响。牛顿的引力定律无法解释水星轨道变化问题,自不待言;但从理论上看更为麻烦的是,它所建立的基本观念,与通过观察和实验都被确证了的狭义相对论是不能兼容的。

爱因斯坦认为“引力”和“相对性原理”是物理世界中极为重要的两个现象,他也非常希望二者能够变得彼此兼容。但是,要实现这一愿望,就意味着物理学体系必须发生变革,意味着需要一个更具有普遍性的关于相对性的理论。

广义相对论对牛顿引力的修正

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牛顿引力理论中最引人怀疑的地方,大概就是“超距离作用”的观念了:凭什么说无论彼此相距多远的两个物体(哪怕它们从未彼此接近过)都能立刻给对方施加作用呢?对这种观念,牛顿只是起了一个名字action-at-a-distance,并没有做更多的解答。爱因斯坦对这种状态显然感到很不舒服,他试图找到一种办法去精确地解释万有引力的发生。

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

狭义相对论的一个重要观念是:所有物体,包括你和我,不仅都在空间中移动,而且也都在时间中单向移动,这两种运动是一体的,无法割裂开来。当一个物体相对于另一物体发生移动时,无论从哪个物体上看,另一个物体所处的时间都变慢了(因此所有与时间相关的变化过程也都减缓了)。这些想法催生了一个新的概念“时空”(spacetime)。

以此为基础更上一层楼之后,就出现了广义相对论。广义相对论最关心的问题是:“时空”与宇宙中所有的物质、能量之间到底是一种什么关系。一旦我们把宇宙万物在空间中的运动和在时间中的运动统一起来,看作在“时空”中的运动,那么就需要回答以下两个非常重大的问题:

  • 1、处于时空之中的质量、能量和事物,会给时空造成什么样的效应?
  • 2、容纳着所有质量、能量和事物的时空,会给万物的运动造成什么样的影响?

从1907年到1915年,爱因斯坦用了八年的时间,全力以赴研究这个问题(其间他向许多顶尖的数学家寻求了帮助),最终描绘出了一个逻辑上完全说得通的数理框架,是为“广义相对论”。这一理论的问世,让人类眼中的宇宙画卷发生了全然的改变。

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

所有物体,包括产生于宇宙空间中的辐射的粒子和量子,在这个新理论里都是重要的角色。如果没有它们,时空将是无比平坦的,但也不会有引力存在,即使仅有狭义相对论也足够解决问题了。但只要宇宙中存在哪怕一个有质量的粒子,它作为能量的一个极其微小的显现,也将让时空不再那么简单。其实,能量以任何形式的显现,不论是以物质形式还是以辐射形式,或者以某些更加奇特的形式,都会切实地改变时空的结构。

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

换句话说,空间和时间再也不像牛顿眼中的宇宙那样是恒定、静态、不变的度量体系。空间当然可以保持不变,但也可能延展或收缩,这取决于一系列物理变量。静止的东西没有必要再被视为静止的,而运动的东西也不必永远被视为运动的了:广义相对论说,所有物体都只沿着被弯曲了的时空而运动,而时空如何弯曲,则取决于我们这个宇宙中各种物质和能量当前是如何分布的。

一口气搞懂,相对论和牛顿理论的区别在哪?

按此理论,行星绕太阳运转并不是因为有某种看不见、摸不着的超距离作用牵引着,而是因为太阳系内的时空的肌理弯曲以太阳为中心。而我们感受到的重力作用也不是能够无限快地瞬间传递了,它传递的速度最快也无法超过光速。我们不妨把太阳系的空间和时间看作一张平整的床单(即二维的),任何具有一定质量(能量)的物体,如太阳、大行星、卫星、小行星等,都会在床单表面压出凹陷,从而改变床单的形状,这种改变会让我们感受到引力。

当然,在三维空间中想象这些可能会有点吃力,但原理其实完全没变:宇宙中所有具有质量或(和)能量的事物都会让时空扭曲变形,从而影响和改变其他所有事物承受的引力作用。以上就是牛顿引力和相对论的不同之处。

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