万有引力的传播速度是多少?
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万有引力到底是什么?
其实我们在讨论一个问题时,我们首先要对这个对象进行一个准确的定义。如果我们要搞清楚万有引力的速度是多少?实际上就得先搞清楚万有引力到底是什么?
我们可以先给出一个结论,事实上并不存在所谓的“万有引力”,万有引力是一个理论,用来描述“物体之间彼此吸引”的现象。
传说,牛顿在苹果树下思考问题时,被一个苹果砸中了脑袋,于是他就把苹果下落和月球绕着地球转联系了起来,继而想到了万有引力定律。当然,这是后来人的有意为之编造的故事,并不是一个真实的事情。而用牛顿自己的话说,他在1665年左右,因为当时伦敦瘟疫,到乡下躲避瘟疫时,就在思考这个问题。几乎在同一时期,胡克、哈雷等人也在思考相同的问题。
因此,面对这个问题,牛顿拿出来的方案就是大名鼎鼎的万有引力定律,认为两个物体之间存在着彼此吸引的力。如果历史让胡克等人想到,可能想到取得名字未必会是这个。比如:爱因斯坦认为根本不存在万有引力定律,出现这样的情况是因为时空的弯曲,这我们下文还会详细说到。
万有引力定律
牛顿建立起来的这套理论告诉我们,万有引力和物体的质量成正比,与物体之间间距的平方成反比, 并且他给出了万有引力定律的数学表达式。
不仅如此,他还从当时的格林威治天文台台长那里得到了极其精准的天文观测数据,并且利用这个数据验证了自己的万有引力定律是正确的,并将这些数据作为俘虏放到了第二版的《自然哲学的数学原理》当中。万有引力定律也使得牛顿成为了学术界首屈一指的学者。
可是他就遇到了一个问题,那就是万有引力的速度到底是多少?
牛顿认为万有引力是一种超距作用,意思就是说万有引力定律可以瞬间传递。也就不存在什么速度大小的限制。举个例子,如果太阳突然消失了,由于地球绕着太阳转是因为万有引力,所以太阳一消失,地球就会立马感知到,然后就会沿着轨道的切线方向飞出去。
当时,这个观念实际上并没有得到实验的验证,只是牛顿的一个观点罢了,实际上以当时的技术也很难验证。
广义相对论
牛顿的这套理论实际上是建立在一个假设之上的,这个假设就是时间和空间是平直的,并没有任何的关系。而到了上世纪初,爱因斯坦提出了著名的相对论。他基于光速不变原理和相对性原理,推导出了狭义相对论。在狭义相对论中,爱因斯坦统一了时间和空间,他认为这两者应该是相互联系的,而不应该单独对待,应该被合称为时空,而我们就生活在四维时空当中,三维的空间和一维的时间。
而后来,爱因斯坦对狭义相对论进行更进一步的推广,得到了广义相对论。而在广义相对论当中,爱因斯坦提出万有引力的本质实际上是时空的弯曲。
那具体是咋回事呢?我们都知道,月球是绕着地球转。牛顿认为这是存在着万有引力牵引着。而爱因斯坦认为根本不存在万有引力。实际上是地球压弯了周围的时空,月球是沿着时空的测地线在运动,这里的测地线类似于二维平面中的“直线”。
著名的物理学家惠勒就曾经高度概括了爱因斯坦的广义相对论的这一描述,他是这么说:物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。
那么在广义相对论当中,万有引力的传递速度是多少呢?
答案也很明确,就是光在真空中的传播速度,也就是3*10^8m/s。为什么这么说呢?
这是因为光速是时空的特殊属性,是信息传递的极限速度。换句话说,如果太阳突然消失了,地球飞出去至少需要8分20秒之后。
总结
从上面的讲述,我们知道,无论是万有引力还是广义相对论本质都是在解释“物体之间彼此吸引"的现象。其中,在万有引力定律中,引力是超巨作用,瞬间完成传递。而在广义相对论中,不存在所谓的”引力“,而“物体之间彼此吸引"的现象是由时空的弯曲造成的,而传播的速度就是光速。
按照目前的情况来看,广义相对论更具由普适性,是解释这一现象的主流科学理论。因此,从目前来看,“引力”的传播速度是光速。
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