牛顿的物理学体系
牛顿是近代物理学之父,可以说是物理学的鼻祖。那他为什么会有如此高的声誉呢?真的是因为牛顿提出了力学三大定律和万有引力定律么?
其实,并不是,牛顿其实干了一件前无古人的事情,这件事情就是:开创了科学的范式。这话从何说起呢?
我们都知道,牛顿的著作是《自然哲学的数学原理》,这其实是一本划时代的书。
在这本书当中,牛顿把他的工作方法运用得淋漓尽致,以至于直接定义了科学的范式。具体来说是这样的,牛顿在这本书的前面几十页,就各种物理量下了定义,我们现在熟悉的“质量”、“力”等常用的物理量就是牛顿给取的名字,下的定义。
而且牛顿不仅仅做了这点工作,更重要的是,他认为定义本身要满足两个要求:可以用被测量,其次可以用实验来验证这个定义。如果仔细看一下质量的定义,就会发现,牛顿除了对这个定义进行了量化的描述,还用实验对这个定义的正确性进行了验证,并且赋有详细的实验操作方法。
如果我们现在看物理学教材甚至是学术专著,基本上都是在走这个套路,先定义,然后量化,再进行实验。
牛顿的万有引力真的存在么?
而我们说的万有引力,本质上并不存在“万有引力”,为什么这么说呢?
其实万有引力是基于现象给出的。具体来说是这样的,牛顿看到了万物都有向地面掉落的趋势,而天体会绕着另一个天体转。基于这样的一个现象,他提出了万有引力定律。把物体和物体之间的这种相互作用称为:万有引力。
所以,其实“万有引力”是描述这些现象索取的名字。这就好比名取名字,这个人可能叫做张三,张三只是这个人的代号。如果这个人过几天改名叫做李四,那张三还存在么?所以,本质上是这个人存不存在,而不是这个代号存不存在。同样的道理,万有引力描述的就是万物彼此吸引的现象,这个现象是客观存在的,你可以任意给它取名字,牛顿管这个叫做万有引力,你当然也可以管着叫做其他的。
可能你要说了,这不是强词夺理么?
事实上,并非如此,“万物彼此吸引”在牛顿这里叫做万有引力,可是到了其他物理学家那里还真的被改了名字。同样是看到“万物彼此吸引”的现象,爱因斯坦就给出了他关于这个现象的不同看法。
爱因斯坦的广义相对论
爱因斯坦对于这个现象的定义是这样的:时空的弯曲。
那该咋理解呢?爱因斯坦其实在1905年的时候,发表了四篇开创性的论文,后两篇后来并称为狭义相对论。在狭义相对论当中,爱因斯坦统一了“时间”和“空间”,并认为他们应该被并称为:时空。而我们所生活的世界就是一个四维时空。
而物体的质量是会造成时空的弯曲,地球之所以可以绕着太阳转,本质上是因为太阳的质量使得周围的时空发生了弯曲,而地球其实是沿着四维时空的测地线(四维时空的“直线”)在运动。
看到了没有?基于同样的现象,爱因斯坦可以给出完全不同于牛顿的解释,而且命名完全不一样,难道在爱因斯坦的体系里万有引力就不存在了么?
所以,我们要透过理论看本质,本质其实就是现象,只是描述的方式不同罢了。
那意思是不是说,谁都可以来给这个现象赋予一个理论?事实上,就是如此。但是并不是说任意的人只要提出关于这个现象的理论就会被接受。
一个理论最终是不是被接受是要经过非常严格的同行评议的。就拿牛顿理论来说,他之所以被广泛接受,就是它的真的很准确,甚至可以只靠笔和纸就能预言海王星的存在。
而且同行还会想尽办法来刁难,挑刺。爱因斯坦的理论能被广泛接受,也是因为经历了许多年,许多的科学家试图用不同的方式去证明相对论是错的,但都没能成功。而且在许多情况下,爱因斯坦的理论甚至比牛顿的更加精确,这才被广泛接受。所以,只有经得起考验的理论才会最终成为一个主流理论。
总结
最后,我们来总结一下,万有引力其实代指的是一个现象,这个现象就是:万物彼此吸引。万有引力只是牛顿体系下对于这个现象的一种描述。而不同的人可能给出不同的描述,比如,爱因斯坦对这个现象的描述就是时空的弯曲。因此,存在的是现象,而不是命名。
题主你好。万有引力定律最早是牛顿(有争议,可能是胡克更早一些)提出来的。这一定律长期被物理学家认为是十分精确的理论。因为物理学家在纸上算出了一个行星,叫海王星。它也是唯一利用数学预测而非有计划的观测发现的行星!天文学家利用天王星轨道的摄动推测出海王星的存在与可能的位置。
这些成功曾经让物理学家认为牛顿万有引力定律就是真理。但是历史总有打脸的时候。十九世纪天文学家在观测水星时候,牛顿万有引力定律终于遇到了挑战。水星除了受到太阳的引力,还受到其他行星的引力。这就导致水星的轨道不是严格的椭圆形,而是一个不断绕着椭圆焦点转动的瞬时椭圆轨道。因此水星在近日点总存在进动。但是物理学家通过计算发现,水星近日点进动总和实验观测结果有误差。当时物理学家想到了可能还存在一颗比水星还靠近太阳的行星——火神星。但是火神星并未被发现!牛顿的万有引力定律遭遇前所未有的打击!毫不客气地说,这一件事情对后世将牛顿请下神坛起到了决定性作用。
几十年以后,出了一位今天妇孺皆知的物理学家——阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦将狭义相对论和牛顿引力论调和起来,构建了广义相对论。广义相对论给出了水星近日点进动与实验观测相差的那部分数值的严格解释。这件事情在二十世纪初期引起了极大的影响,爱因斯坦也因此成为了物理学的泰斗。当然,牛顿被请下神坛还不仅仅是这一件事情,但是那与现在的题目不太相关,这里不做更多介绍。广义相对论揭示了牛顿万有引力定律的局限性,人们也因为广义相对论而对引力论有了新的认识。引力的本质是时空弯曲,这已经快被科普作家说烂了。其实,准确来说应该说,广义相对论没有引力这个东西,有的只是时空本身。引力效应不过是时空里自由粒子沿测地线运动的假象。
关于引力的理论其实有很多,但是目前来说,比较简单的而且与实验观测比较符合的是广义相对论。因此,我们只能说,引力论还在发展中,没有结束;对引力本质的研究也在进行中!
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