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1 # 洪波洪波
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2 # 博士超懂
先說結論:最大的區別在於它們對空間的定義不同,萬有引力定律認為空間是不變的,而廣義相對論認為質量會影響周圍的空間。
下面看詳細解釋:
在牛頓看來,宇宙中任何有質量的物體之間都會存在引力作用。大到天體,小到灰塵,引力作用始終存在。無論距離多遠,都會存在引力,這種作用是瞬間產生的超距作用。根據萬有引力定律,物體之間的引力正比於物體質量之積,反比於物體之間的距離的平方。牛頓的萬有引力定律非常成功,它解釋了為什麼蘋果會落地,為什麼地球會繞著太陽旋轉,甚至還能預言此前尚未發現的海王星的存在。
但到了19世紀,天文學家發現萬有引力定律存在缺陷。
天文學家透過觀測發現,水星近日點進動的觀測值與透過萬有引力定律計算出來的結果存在一些差異,觀測值與理論值每個世紀相差43秒,這遠大於觀測誤差,所以必然是理論出了問題。
直到20世紀初,愛因斯坦提出了廣義相對論,水星近日點進動問題才得以很好地解釋。根據廣義相對論,空間不像牛頓所描述的那樣是絕對平直的,而是會在質量與速度的作用下發生彎曲。在彎曲的空間中,天體與光都會沿著測地線運動,由此表現出引力效應。
此後,愛因斯坦進一步預言,遙遠恆星發出的光穿過太陽邊緣時所會偏轉的角度,是牛頓引力理論計算結果的兩倍,愛丁頓用日全食實驗證實了這個預言。
此外,廣義相對論的預言還包括:宇宙是動態的、宇宙中存在黑洞、大質量天體會強烈扭曲經過其邊緣的光線而產生引力透鏡效應、加速運動的物體擾動時空產生引力波,這些預言均已被驗證。
迄今為止,廣義相對論是描述宇宙引力現象最為成功的理論。萬有引力定律只是廣義相對論在弱引力場中的一種近似理論,但由於牛頓引力理論的形式更為簡單,所以在精度要求不高時可以方便使用。
不過,廣義相對論仍然面臨著一些問題,比如黑洞中的奇點以及宇宙最初時刻的奇點,並且還與量子力學無法調和。這或許表明,宇宙中可能還存在更為深刻、更為基本的理論,而廣義相對論是它在一定範圍內的近似。
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3 # 軟分享
解決這個問題之前,我們先來看一下萬有引力定律和廣義相對論的概念。
萬有引力定律是指任意兩個質點有透過連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質量的乘積成正比與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學組成和其間介質種類無關。
廣義相對論是描述物質間引力相互作用的理論,基於兩個基本原理是:等效原理:慣性力場與引力場的動力學效應是區域性不可分辨的;廣義相對性原理:所有的物理定律在任何參考系中都取相同的形式。
相同點:
1、從概念上可以看到,兩個理論都是關於引力相互作用的理論。萬有引力定律是第一種應用數學公式描述引力相互作用的有效理論,廣義相對論是比萬有引力定律更為精確的引力相互作用的有效理論。
2、兩個理論都可以解決行星近日點進去問題和光線近日偏折問題。行星近日點進動問題和光線近日偏折就是廣義相對論最初驗證的兩個實驗,但改進後的萬有引力定律也能解決這一問題。
不同點:
1、廣義相對論的基本假設是廣義相對性原理:即物理定律的形式在一切參考系都是不變的;但是萬有引力定律不符合這一原理。
2、萬有引力定律能夠解決引力場中的受約束問題,但廣義相對論解決不了這些問題。
所以,萬有引力定律和廣義相對論在實際應用中一般會一起使用,利用各理論的優勢來解決相關的問題。
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4 # 郭哥聊科學
一切物理問題其實都是測量問題,就如一切生物問題都是進化問題一樣。所以,讓我來回答萬有引力定律與廣義相對論的區別,就要從測量的角度去講述。
一、沒有測量的物理學就是耍流氓曾經我用這句話做過文章的標題,單獨寫過物理學中的測量問題,測量是物理與數學的本質區別。可以說,沒有測量,就沒有物理學。
萬有引力也好,廣義相對論也罷,都是從測量的角度,對引力的一種理解。引力作為一種客觀現象或者說是客觀存在,那麼萬有引力定律和廣義相對論其實都是在基於測量方法的基礎上,對引力規律的一種主觀描述。
所以,萬有引力定律和廣義相對論的根本區別就在測量手段的進步當中體現出來。接下來我就要具體說說二者是如何要在測量中體現差別的。
二、引力是一種幾何效應先來說說相同點吧——引力是一種幾何效應。這個意思是愛因斯坦在廣義相對論中是明確表達出來的,引力是時空的一種幾何效應,但是牛頓沒這麼說過。牛頓在給出了萬有引力公式之後,對於引力的本質並沒有說明。對於牛頓來說,引力的本質是一個懸案。
那麼我為什麼認為牛頓的萬有引力是一種幾何效應呢?
這其實源自引力的測量方法。萬有引力公式只是給出了引力與兩個物體質量和距離的計算方法,但並沒有給出萬有引力的測量方法。如果回到牛頓時代,我們要如何測量地球受到的太陽的引力大小呢?
方法就要從圓周運動中去尋找了,就是這個公式F=mω^2r式子中,F是地球受到太陽的引力,m是地球的質量,ω是地球圍繞太陽公轉的角速度,r是地球與太陽質心之間的距離。
考慮用絲線牽引一個小球在水平桌面上的旋轉,小球所需要的向心力來自絲線的張力,而地球和太陽之間是遠距離的,非接觸的,之所以會認為萬有引力一定存在,就是因為,只要做這樣的運動,就必須有向心力的存在。牛頓也是因為這個原因,確定萬有引力是存在的。
這一點,在高中物理課本中,對萬有引力公式的推導過程中,引入了開普勒的平方反比定律就能知曉,我也撰文寫過,這裡不做推導了。
正因為如此,我才說,牛頓的萬有引力也可以看做是一種幾何效應。
三、萬有引力與廣義相對論的區別來自測量技術的提升牛頓那個年代,在測量的時候,地球圍繞太陽旋轉的角速度測量是不精確的,沒辦法,只有機械鐘。對於地球與太陽距離的測量也只能用天文觀測的幾何方法。當然也是不精確的。但這就是時代的侷限性。
如果我們注意一下用圓周運動測量萬有引力的時候,地球的公轉角速度是一個不含時間的量,也就是說,在萬有引力定律中,地球在軌道不同位置上,其角速度就是固定的,與時間無關。其結果就是,萬有引力只與三位空間座標系有關。
愛因斯坦這個年代,人類開始了對光速的測量,並且發現了真空光速不變這個特性。所以要想精確測量引力,或者說,要想精確測量地球的角速度及地球與太陽之間的距離,就必須考慮測量工具帶來的影響。
由於在這種天文測量中使用的都是光學測量,因此就必須考慮真空光速不變,即時間測量因素,進一步說就是多了一個時間變數。在愛因斯坦看來,要想精確測量萬有引力,就必須要把時間考慮進來,這樣就相當於在三位空間座標的基礎上,增加了一個時間座標。
愛因斯坦據此提出——引力是時空(三維空間+一維時間)的一種幾何效應。
結束語——廣義相對論是萬有引力的升級版從本質上來說,萬有引力與廣義相對論都說明了引力是基於幾何測量而產生的一種效應,其差別在於萬有引力沒有考慮測量工具(光)的影響,而廣義相對論由於考慮了測量工具(光)的影響,所以結果更精確。我曾經專門寫過文章,萬有引力定律是廣義相對論的一階近似,其實就是在說這個事情。
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萬有引力是牛頓最先發現和給出嚴格數學論證的,兩個物體的之間的引力F=(G*m1*m2)/r^2,即萬有引力和物體的質量成正比、和距離的平方成反比。
牛頓雖然發現了萬有引力定律,但是沒有給出解釋,為什麼兩個具有質量的物體能夠彼此之間產生引力?原因是什麼
而廣義相對論透過構建了新的時空觀,用更廣泛的角度解釋了為什麼存在引力左右,因為有質量的物體使時空發生了翹曲,形成引力場而產生引力。