牛顿的万有引力定律与爱因斯坦的相对论有什么联系和区别?

牛顿的万有引力定律与爱因斯坦的相对论有什么联系和区别?

首页角色扮演小小大英雄GM版更新时间:2024-06-15

牛顿万有引力定律与爱因斯坦相对论是两个层次的理论。

万有引力定律就像一个梯子的下面几级,比较接地气,指导了人类几百年的科学研究和技术发展;而广义相对论是梯子的上面几级,站得更高看得更远。

但我们爬梯子必须先踩在下面几级才能攀爬到上面。

因此牛顿的万有引力为爱因斯坦的高层梯子奠定了基础,没有这个基础,爱因斯坦的上层梯级就成了空中楼阁,虚无缥缈。

传说牛顿发现万有引力是树上的苹果砸到头上砸出来的,这当然是闲扯,但现在爱因斯坦发现了梯子的上面几级,就能够爬到树上把苹果摘下来,解剖苹果发现了更深层次的秘密。

说白了,就是爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论比万有引力定律站得更高,指导意义更深远。

但牛顿的万有引力这个基础打得很牢很稳,至今依然闪烁着灼灼光芒。

万有引力是迄今人类发现最基本的四种力中的一种力,也是最早发现的一种力。

牛顿发现了万有引力定律,其表达式为:F=GMm/r²

式中,F表示万有引力值,G为引力常数(6.67x10^-11N·m²/kg²),M和m为引力相互作用的大小物体,r为M和m的距离。

这个定律说明了引力的大小与两个相互吸引的物体质量乘积成正比,与两个物体距离平方成反比。特别要说明的是,距离是指两个物体质点的距离,而不是表面距离。

人们根据这个定律,能够计算出地球等天体的引力,才能计算出环绕速度、脱离速度和逃逸速度,从而让火箭能够飞出地球大气层,或环绕地球飞行,或飞往月球,或飞出地球引力圈甚至太阳的引力圈。

在地球上,环绕速度为每秒7.9公里,脱离速度为每秒11.2公里,逃逸速度为每秒16.7公里。

所谓环绕速度就是一个与地球引力抗衡的速度,达到这个速度既逃脱不了地球引力,又不会被地球引力拉拽下来,就成为地球人造卫星。

因为引力随着距离平方成反比,因此卫星在不同的高度,所需的速度就不一样,越高速度就越慢。

其关系式为:GM/r=v²

式中,G为引力常数,M为地球质量,r为人造天体与地心的距离(轨道高度 地球半径),v为速度。

脱离速度实际上就是地球的逃逸速度,在地球上发射飞船,只要达到了这个速度,就能够逃离地球引力,飞往其他行星;而所谓逃逸速度,实际上是在地球上发射人造天体逃出太阳引力的速度。

太阳是个庞大的星球,在其表面的逃逸速度为617.7公里/秒,但引力与距离平方成反比,在地球这个位置加上地球本身的公转速度只需要46.7公里/秒的速度,就能够逃离它的引力,地球公转速度为每秒约30公里,因此利用这个动能,发射只需要增加16.7公里就能够逃离太阳系。

这就是根据牛顿的万有引力定律,引申出来的三个宇宙速度。环绕速度被称为第一宇宙速度,脱离速度被称为第二宇宙速度,逃逸速度被称为第三宇宙速度。

牛顿虽然聪明,对万有引力只知其然,不知其所以然,没有悟出其根源。

这个万有引力是怎么产生的呢?其是怎么出现的呢?牛顿往前再走一步,大概就没爱因斯坦什么事了。

当然爱因斯坦之所以能够揭示出万有引力的本质,也并非比牛顿聪明,而是经历了几百年一代代科学家的前赴后继,已经得出了很多新的发现和理论。

爱因斯坦相对论成果,就是在学*结前人的很多发现和理论基础上得到升华的。

爱因斯坦的时空理论认为:质量才是引力的根源,凡有质量的物体,都会产生引力。小到一个原子,大到一个星球,都有万有引力作用。

质量怎么导致了引力呢?原来质量会对时空造成扰动,就像一个石头丢进水里,就会对周围的水造成扰动。

看不见摸不着的时空就像水遍布宇宙的任何角落,所有的物质都在时空中存在和运行。

这些物质在时空中,质量越大,导致的扰动就越大。

这种扰动有点像漩涡或陷阱,每个大大小小的物质都会在自己周围全方位造成漩涡或陷阱,质量越大,漩涡陷阱就越大越深。

物体靠近时就会相互掉进对方的陷阱,看起来就是两个物体的相互吸引;小的物体经过大物体附近,就会掉进大物体的陷阱,看起来就是大物体对小物体吸引。

有人用绷紧的床单,上面放大大小小的球体,会把床单压出一个个凹陷,两个附近的球体就会滚到一起。这种质量与时空关系比喻有一定道理,但并非完全如此,还需要发挥全方位的空间想象力,才能够理解。

这就是万有引力的根源和本质~质量导致的时空弯曲。

时空弯曲效应与引力定律的结论是一致的,与质量成正比,与距离平方成反比。

但爱因斯坦的理论触及了时空的根本,因此预言了很多现象,如时空弯曲、黑洞、引力透镜、引力波等等,这些都被后来的科学观测发现所证实。

爱因斯坦相对论认为质量导致的时空弯曲,不仅仅会发生万有引力现象,还会导致时间膨胀。

空间弯曲是万有引力的根源,时空弯曲是时间膨胀的根源。

因此,爱因斯坦的发现不但揭示了万有引力的本质,还在更高层次揭示了宇宙的本质。

这个本质就是在我们宇宙,时间、空间、物质是三位一体的,物质运动变化,必然带来时间和空间的变化。

在我们四维时空,空间和时间是运动着的物质存在形式,空间是物质的广延性,时间是物质运动变化的标记,它们都是不以人意志为转移的客观存在,三者相互相成缺一不可,与宇宙共存亡。

有了这个基本认识,宇宙中的一切变化都离不开这三位一体的相互作用,这就是相对论阐述的内容。

因此,相对论认为,时空是相对的,随着物质运动变化,时空也会发生变化。

时空扭曲或弯曲,就是这种变化的表现。

导致时空变化的有两个因素,一个是速度,一个是引力。

狭义相对论认为,速度会使时间变慢,空间变短,当运动速度达到光速时,时间停止,空间为零。这就是速度的尺缩钟慢效应,表达式为:t'=t/√[1-(v/c)²]

式中,t'是速度时间膨胀效应值,t是低速系观测者第一个时钟时间记录,v是第二个时钟相对第一个时钟的移动速度,c为光速。

广义相对论认为,引力越大时间越慢,当引力达到极端时,空间无限弯曲(黑洞),时空消失。这就是引力的时间膨胀效应,表达式为:t'=t√(1-2GM/rc²)

t’为引力时间膨胀效应值;t为低引力惯性系观测者时间流逝值;G为引力常数;M为天体质量;r为天体半径;c为光速。

上述公式说明速度和引力达到极限时,时空归零了,在走向极端的过程中,时空会线性变化。

通过爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,人们知道了一切事物不但受到万有引力影响,还会受到时空膨胀的影响,这样火箭飞上天就不光是要考虑三个宇宙速度了。

现代航天如果没有相对论指导,发射的深空远航飞船就会不知所踪。

三个宇宙速度只能够飞出地球,但要飞到那里去,怎么遥感和定位,就需要相对论来调整了。

比如GPS卫星定位系统,由于卫星在2万公里高空运行,引力比地球表面要小,时间就会快一些;而卫星又以每秒约4公里速度运行,时间又相对比地表要慢一些。

根据测算,GPS导航卫星引力影响导致时钟快了千亿分之五十三,而速度导致的时间变慢为千亿分之八,这样里外一折,卫星时钟比地表时钟快了千亿分之四十五。

这个影响看起来很微小,我们上下班差这点时间根本感觉不到,但导航定位系统如果不按照相对论效应调校好天上与地面的时钟,定位和导航就会失之毫厘谬以千里。本来想开着个车导航去广东,结果去了广西。

根据相对论效应制作制作了一个修正程序,就能够让GPS卫星与地表时钟一致,这样才能够使导航定位精准到位。

由此,人类在发射飞往遥远空间的探测器和飞船时,根据飞行轨迹和途径的天体,定位导航系统都要进行相对论调校,否则就无法到达遥远的目标,甚至定位和通讯都无法进行。

因此,爱因斯坦的相对论是现代物理学的基石,是在牛顿经典力学上的修正和发展,是人类文明进步的结晶。

科学就是这样站在一代代科学家的肩膀上,或者说在一代代科学家建造的梯级上攀升的,越攀越高,从刀耕火种的泥土的基础上,现在已经小可窥夸克粒子的奥秘,大可观星系天体之宏远,下可达马里亚纳海沟,上可踏月亮摘星星。

科学永远在路上,科学家就是点亮路途的灯塔。

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