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万有引力公式(万有引力定律)

2024-01-03 12:39来源:网络本地 0人已围观

摘要牛顿万有引力定律早就告诉我们,万物之间都存在引力,用公式表达就是:F=GMm/r²。 也就是说,引力的大小与两个物体的质量成正比,与物体的距离(质心之间的距离)成反比。 就是这么一个简单的公式,指导了人类“上天入地...

牛顿万有引力定律早就告诉我们,万物之间都存在引力,用公式表达就是:F=GMm/r²。

也就是说,引力的大小与两个物体的质量成正比,与物体的距离(质心之间的距离)成反比。

万有引力公式(万有引力定律)插图

就是这么一个简单的公式,指导了人类“上天入地”,其中三个宇宙速度,就是根据这个公式计算出来的。

几百年过去了,牛顿的万有引力公式仍旧统治着人类航天事业,各种卫星火星的上天的背后都依托万有引力定律。

牛顿万有引力定律固然伟大,但仍有一个重大问题:引力到底是什么,是如何产生的?

也就是说,产生引力的根源到底是什么?牛顿并没有给出答案。这个更深层的问题留给了同样伟大的物理学家:爱因斯坦。

爱因斯坦提出了著名的广义相对论,该理论表明,时空弯曲才是引力的根源,引力其实只是时空弯曲的外在表象罢了。而任何有质量的物体都可以对周围时空造成影响。

万有引力公式(万有引力定律)插图1

有质量的物体会对时空压缩弯曲,形成时空陷阱。当有物体经过这个“时空陷阱”时,就会“掉进陷阱”,体现出来的就是万有引力。

不过,只有大质量天体才能对时空有明显的影响,平时我们根本感觉不到这种影响。比如说我们的太阳这种大质量天体,科学家们已经观测到光线经过太阳时会发生弯曲,其实就是光线沿着被太阳弯曲的时空结构在做“测地线运动”。

万有引力公式(万有引力定律)插图2

这里有必要强调一点,网络上对“时空弯曲”的描述其实是不严谨的,很多示意图只是为了方便大家理解,用类似“弹簧床”的模式来诠释。其实更严谨的时空弯曲应该是这样的:

万有引力公式(万有引力定律)插图3

一开始人们并不认可爱因斯坦的广义相对论,这很正常,任何新理论的诞生都必须经受住考验才行,尤其是广义相对论这样具有颠覆性的理论。

不过在随后的一百多年时间里,广义相对论经受住了各种考验,同时做出了很多准确的预测,比如说黑洞,引力波,引力透镜,还有引力引起的时间膨胀效应等。

那么广义相对论对引力的诠释(时空弯曲)与牛顿的万有引力之间有什么关系呢?

正如刚才所说,万有引力是时空弯曲的表象,万有引力定律是建立在绝对时空观基础上的理论,只适用于低速世界。一旦到了高速世界(比如亚光速)就失效了,会出现较大的误差,这时候就必须用到广义相对论。

万有引力公式(万有引力定律)插图4

狭义相对论表明,速度越快时间就越慢。除了速度,引力也同样会影响时间的快慢,引力越大时间流逝速度就越慢。

我们每天都在使用的导航系统,都是充分考虑了速度和引力对时间的影响才有效的,如果不考虑时间和引力对天上卫星的影响,导航系统会彻底崩溃。

狭义相对论时间膨胀公式为:t‘=t/√[1-(v/c)²]

广义相对论时间膨胀公式为:t‘=tx√(1-2GM/rc²)

天上的卫星,考虑到引力造成的时间膨胀,一天时间要比地球快45微秒。考虑到速度造成的时间膨胀,一天要比地球时间慢7微秒。这样合并计算,卫星上的一天时间要比地球一天时间快38微秒。

万有引力公式(万有引力定律)插图5

不要小看38微秒的时间很短,但积累起来就会对我们的定位系统有明显影响,所以必须调整卫星上的时钟,否则导航会直接把我们导到阴沟里。

所以,可以看出,其实爱因斯坦并没有否定万有引力的存在,他只是诠释了万有引力的本质!

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