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網(wǎng)友問:既然廣義相對論中引力本不存在,為何不把引力替代掉?

 艾伯史密斯 2019-12-04

萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋,本質(zhì)上是對同一事物的兩種描述而已,沒有對錯(cuò)之分,只有適用范圍之分;其中牛頓力學(xué)的描述形式簡單,但只在弱引力場中生效,廣義相對論的描述比較復(fù)雜,適用于所有場合。


在廣義相對論中,愛因斯坦以時(shí)空彎曲來描述引力,并獲得了巨大的成功,解釋了很多萬有引力定律解釋不了的現(xiàn)象,根據(jù)廣義相對論的描述,引力的本質(zhì)就是時(shí)空彎曲,實(shí)際當(dāng)中根本不存在“引力”這個(gè)事物。

但是我們在絕大部分的情況下,都是使用牛頓力學(xué)而非相對論力學(xué),比如預(yù)測宇宙飛船的飛行軌跡用牛頓力學(xué)足夠,哪怕描述白矮星這樣致密的天體時(shí),使用牛頓力學(xué)也能達(dá)到很高的精度。

只有在研究更為極端的現(xiàn)象,比如中子星、黑洞、巨大的星系時(shí),萬有引力定律才會(huì)出現(xiàn)較大偏差,此時(shí)愛因斯坦的廣義相對論將發(fā)揮作用。

從本質(zhì)上說,萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋,都是對同一事物的不同描述,萬有引力定律使用超距作用“引力”來進(jìn)行解釋,數(shù)學(xué)圖像為引力場分布梯度,而廣義相對論使用時(shí)空彎曲來解釋,數(shù)學(xué)圖像為彎曲的時(shí)空,兩者其實(shí)等效的。只不過萬有引力定律存在局限性,只適用于弱引力場中,而廣義相對論適用于所有場合。

除了以上兩種描述外,在物理學(xué)中還有其他描述引力的數(shù)學(xué)模型,比如量子力學(xué)試圖把引力量子化,另外三種基本力,強(qiáng)力、弱力和電磁力均實(shí)現(xiàn)了量子化,都有著各自的傳遞粒子,量子力學(xué)預(yù)言引力的傳遞粒子是“引力子”,自旋為2,質(zhì)量為零,但是目前科學(xué)家還未探測到引力子的存在。

所以即便萬有引力定律是相對論在弱場下的近似,萬有引力定律也無法被廣義相對論完全代替,相比之下,萬有引力定律的使用更加方便和簡潔,而且在絕大部分情況下均能達(dá)到足夠的精度,太陽系內(nèi)的絕大部分天文現(xiàn)象,利用萬有引力就可以進(jìn)行精確預(yù)言,比如日全食的時(shí)間,某顆彗星的回歸周期等等。


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