大家对下面这个玩具应该比较熟悉,它叫牛顿摆,至少各类电视里会常常出现。
牛顿摆是用来演示动量守恒的,1750年左右提出的“宇宙粒子流”假说就试图通过动量守恒定律来解释引力的机制,不幸的是,这个假说是错误的。
我们运用牛顿的万有引力理论能成功解释行星运动、可以制造人造卫星、可以发射载人飞船,然而在赞颂人类智慧的同时,更应当向大自然表示敬畏,因为她能如此完整而普遍地让日月星辰的运动统一于如此简洁的规律。
如此我们当然不禁要问:引力的机制究竟是什么?
牛顿只满足于描写地球是如何围绕太阳运动,他并没对引力的产生加以解释。事实上我们能使用能量守恒定律去计算一些东西,还有许多的物理中的数学定律已经被我们运用得炉火纯青,但我们并不清楚它们背后的机制。提一个更深刻的问题:为什么我们能用数学描述自然,却并不知道是什么在起作用?究竟是我们发明数学来描述宇宙,还是数学物理方程本身就存在?(小编真的不知道)
回到引力的机制,在牛顿以后也有很多人提出过假说。最著名的一个莫过于前面提到的“宇宙粒子流”假说了。在宇宙中有许许多多的粒子以极大的速度向各个方向运动,在它们穿过物质时有一小部分会被吸收掉。这时要提到另一个重要的物理定律了——动量守恒定律,宇宙中动量(质量乘以速度矢量)是守恒的。这一定律是普遍的,无论在经典力学还是量子力学、相对论还是非相对论。
在这里,宇宙粒子被星体(譬如太阳)吸收以后,它的动量自然就转移到了太阳上(称为冲量),不过由于粒子是四面八方而来的,这些冲量相互抵消,所以总体来看太阳并不受力。但对地球来说,因为太阳阻挡了一部分粒子,因而来自太阳的粒子冲击会少一些,于是地球就显现为被太阳吸引了。而且用一些立体几何的知识就可以证明,这种引力机制正好满足牛顿的平方反比定律!多么令人兴奋!
不过很可惜,这种假设是错误的。因为它会预言一些新的结果,而那是不存在的。大家一定都有这样的经验,在雨中奔跑的时候(不考虑斜雨),只会有从前面打在你脸上的雨,而不会有从后面打来的,这是由你和雨的相对运动关系决定的。设想地球在轨道上运动的时候,显然从前面飞来的粒子要比从后面飞来的快,因而冲量也大(想想我刚刚说的动量的计算方法),相当于地球受到了一个阻力,在这种机制下地球将会减慢速度。人们计算了地球停下来所需的时间,结果是并不需要多久,因为这种假设是错误的。
从此以后再也没有提出一个机制可以完美地解释万有引力的基础。这一任务就要留给读者来完成了(或者小编,嘿嘿)。
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