引力这种能跨越空间的相互作用,自从牛顿把地面的物体,跟天体运行联系起来之后,就引起了科学家以及广大吃瓜群众的兴趣。本文就来跟大家谈谈这个话题。
图1 引力波
一、为什么人们一定要给力赋予一个介质呢?
这跟我们的日常经验有很大的关系。日常的生活经验告诉我们,通常两个物体发生相互作用,是需要相互接触的。我们走路的摩擦力、推箱子、拿东西莫不如此。人们自然对这种能够跨越空间距离、不需要相互接触的相互作用就很好奇,凭什么引力不接触就能发生相互作用呢?但是,事实上就是如此,四种基本力的相互作用,都不需要发生相互接触。
所以自从牛顿提出来万有引力开始,物理学家们一直在探寻着究竟是什么东西产生让物质能跨越空间距离产生能改变物体运动状态的相互作用,然而一直都没有找到。因为没有,所以臣妾找不到啊。
图2 大质量天体附近的时空弯曲
二、我们首先需要了解什么是力?
【划重点】物理学中这些最基本的概念非常重要。对于什么是力,人类认识它用了近两千年的时间,直到牛顿大神横空出世,人们才对力有了真正的认识。所谓的力,就是能改变物体运动状态的那种相互作用。这就是牛顿第二定律和牛顿第三定律告诉我们的内容。
经过物理学这么多年的发展,直到现代,物理学家总结出自然界中最基本的四种相互作用,即四种力,即:引力、电磁力、强作用力、弱作用力。再重复一遍,力就是能改变物体运动状态的相互作用。
图3 力是一种相互作用
三、什么是能量?
什么是能量呢?这其实源自物理学对力做功的理解,那么啥是力做功呢?就是物体在力的作用下发生了位移,力在位移的方向上有分量或者说是投影,并且不等于零。能量就是对这种力潜在做功能力的一种评价。所以说,有多少种运动,就有多少种能量。
四、引力的本质是什么?
毫无疑问的是,科学家们至今也没有找到引力作用的介质,因为没有,怎么可能会找到呢。但这并不妨碍科学家探索引力究竟是怎么来的这个问题。牛顿从圆周运动和天体运行的规律发现,引力跟物质的质量和两个物体质心之间的距离有关。爱因斯坦的进一步研究发现,引力是时空弯曲的几何效应。也就是说,引力不需要介质,是时空弯曲的效果,这种让我们的感觉是应该有这么一个力的存在。这说明了其实我们的经验并不可靠,这是人类的自身条件和所生活的自然环境造成的。
图4 引力透镜效应
五、如无必要,勿增实体
从前面我们介绍的基本概念我们可以看出,不论是力,还是能量的概念中,都没有涉及到介质的存在。说到这里的时候,我不由得想到了《皇帝的新衣》这个故事。皇帝没穿衣服,如果你非要说皇帝穿了衣服,那么好吧,你就不得不解释,你看见的是啥呢?编,各种编,编不出来自己就成了傻瓜。一个谎言的背后需要更多的谎言去弥补。
然而,我们如果直接认为,皇帝就是没穿衣服就很简单了。因为没穿,所以我看不见。其实这就是奥姆剃刀法则,这个法则认为"如无必要,勿增实体",即"简单有效原理"。从我们目前对引力的观察上来看,确实是没有发现任何介质。既然没有发现介质,又何必要一定去给引力增加一个介质呢?这跟皇帝的新衣没有任何的区别。
图5 奥卡姆剃刀原理
科学要做的事情就是要以可观测的客观事实为依据,发现我们这个世界运行的规律。不可观测的东西如何能作为科学研究的对象呢?当然了,如果某一天,我们真的发现了引力传播的介质,那就是另外一回事了。但是今天,我们的认识就到这个程度,没看见,就是没看见,不要编。因为,我们人类认识这个世界是从简单到复杂,从粗糙到精细的过程。科学的发展也不例外。
所有的学科发展都是如此。就像生物学,我们对生物的认识远超古人,这是毫无疑问的。但是早期的生物学家就是从数蜈蚣有多少条腿、蜘蛛腿上有多少根毛,这种最基础的工作开始做起的。但是我们今天的生物科学,已经能够从基因的层面改造生物,甚至是创造生物了。
图6 皇帝的新装
全文总结
从我们前面的分析中我们可以得到这样的结论,力也好,能量也罢,其实都是物理学家为了解释物体的运动而引入的概念,它们离不开运动,介质并不是必须的东西,没有就是没有,不必要强加。在这个认识过程中,我宁愿做那个识破皇帝新衣的小孩,而不是那个为了保住面子说假话的大臣。
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