重60万亿亿吨的地球飘在宇宙中,不会向下坠落,原因何在?( 二 )


重60万亿亿吨的地球飘在宇宙中,不会向下坠落,原因何在?
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牛顿的理论并不能完全解释行星轨道近日点的岁差 , 尤其是在他去世多年以后 , 19世纪时科学家使用的先进望远镜观测到水星的岁差存在每世纪43角秒的差异 。
这一问题一直困扰了研究学者们多年 , 天体物理学的发展也开始放缓了脚步 。 同时人们在牛顿定律下所认识的宇宙逐渐成为了一个基本模型 , 研究放缓 。
不过进入19世纪后 , 人类在电磁学上得到了大发展 。 电磁学对基本的磁、电以及光等现象 , 包括广泛的电磁辐射谱有了全新的发现和理解 , 物理学上把这次发现称为“第二次大统一” 。
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第二次大统一向人们展示了一个全新的世界 , 在描述电磁现象和光上面 , 麦克斯韦方程组展示了波动电场和磁场如何以恒定速度传播 , 电磁辐射的概念出现 。
基于电和磁标量势的麦克斯韦方程成为了边界值问题、量子力学、分析力学上的重要应用指导 。 在这之中的不断发展下 , 麦克斯韦方程的最终结果间接催生出了爱因斯坦的相对论 , 相对论的诞生揭示了目前我们对宇宙的基本认知 。
宇宙空间下的相对论
回到我们之前所说的牛顿万有引力定律在天体物理学上的应用 , 水星轨道的观察差异 , 在爱因斯坦的广义相对论下得到了解决 。
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该理论解释了水星轨道的近日点以每世纪42.98角秒变化的微小差异 。 在爱因斯坦的广义相对论下 , 物质之间的引力来自于时空的弯曲 。
但在这之前 , 爱因斯坦还在探索等效原理和潮汐现象时 , 他发现了几个和曲面几何的类比 , 这种类比就像直角坐标系到曲线坐标系的变化 。
更深层的类比还在潮汐力和曲面曲率的关联 , 对于引力场而言 , 潮汐力的作用状态决定了是否可以通过选择一个自由下落的坐标系以此消除引力的影响 。
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在这一系列的研究中 , 爱因斯坦的引力几何理论通过约翰·惠勒的解释 , 可以理解为时空告诉物质如何运动 , 物质告诉时空如何弯曲 。
也就是说 , 在广义相对论下 , 引力是时空弯曲的结果 。 能让时空弯曲就必须要有质量 , 有质量的时空区域就会让时空变形 。
同时 , 时空弯曲程度随距离的远离而远离 , 理论上是可以传播无限远的 , 所以宇宙中任意两质量源间都有引力存在 。
宇宙空间是一个多维的空间 , 能量在此形成的弯曲我们可以把宇宙理解为平面上的一张床或者布料 , 地球就像是布料上的一颗球 。
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球的质量让床面形成了下凹 , 这种下凹就像宇宙中的时空弯曲 。 由于太阳是更大的一颗球 , 于是太阳造成的弯曲会更加大 , 所以在两个弯曲空间上 , 太阳的引力就会比地球更强 。
两者的相互作用达到了一种协调后便维持了地球的基本运转 , 地球也在多种力场的作用下完成平衡 , 从而“稳固”地存在于宇宙中 。
在牛顿万有引力定律中 , 引力来自于物质的特定属性 , 这种属性便是质量 。 爱因斯坦的理论(等效原理)以及基于相对论的其他引力理论中 , 质量的确是决定引力的重要属性 。
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不过在相对论里 , 这不是引力的唯一来源 。 它将质量和能量联系起来 , 而能量由于动量结合 。 在狭义相对论下的表现则是由最经典的E=mc2公式表达出来 。
物体的所有属性 , 例如温度或者微观世界下的原子、分子等系统中的结合能 , 这些属性都能联系到它的能量 , 综合起来形成引力 。
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宇宙的基本属性
有了相对论、牛顿万有引力定律、电磁模型后 , 时空这一概念也应运而出 , 这个四维的数学模型给我们展示了如今我们所处的世界 。
地球所处的宇宙空间远比我们想象的更为复杂 , 其运作状态则是多种力的共同作用完成的 。 广义相对论和狭义相对论都在不同层面解释了地球引力的出现和作用 。
在范围更广的物理量中 , 应力-能量张量是引力场的源 。 每个物体的时空状态都不一样 , 从地球上来讲 , 如果要说“坠落”的话 , 实则地球是跟随着太阳在进行下坠 , 而太阳跟随着银河系下坠 。