问题

引力是如何产生的?

回答
引力,这个我们日常生活中再熟悉不过的力,是宇宙中最基础、最普遍的存在之一。但要说清楚它究竟是怎么产生的,却是一个既深邃又充满挑战的话题。与其说引力是一个被“产生”出来的东西,不如说它是宇宙基本结构和物质存在方式的内在属性。

想象一下,宇宙不是一个空荡荡的舞台,而是一个布满着一张巨大而有弹性的“床单”——这就是我们常说的“时空”。这床单是平整的,如果没有上面任何东西,那么物体在这张床单上就会直线运动,就像一个乒乓球在一个平坦的桌面上滚动一样。

质量,是引力的“源头”

现在,我们往这张时空床单上放一个物体,比如一颗行星,或者一颗恒星。这些物体拥有“质量”。质量是什么?简单来说,它衡量的是一个物体包含的“物质”有多少。根据爱因斯坦的广义相对论,质量并非只是一个固定的数值,它更像是“时空扭曲”的制造者。

当一个有质量的物体放在时空床单上时,它会怎么做?它不会老老实实地待在那里,而是会把周围的时空“压”出一个凹陷,就像你把一个保龄球放在一张拉紧的蹦床上,蹦床表面就会向下弯曲一样。物体质量越大,它造成的时空凹陷就越深、越广。

时空弯曲,导致运动轨迹的改变

那么,引力又是怎么出现的呢?这就跟这个时空凹陷联系起来了。当另一个物体,比如一颗小石头,在这张被压弯的时空床单上运动时,它不再是沿着直线前进。它会自然而然地沿着凹陷的边缘“滚落”,就像你把一个小弹珠放在蹦床中央保龄球旁边的边缘,弹珠会滚向保龄球一样。

从我们人类的观察角度来看,这个小石头好像受到了一个看不见的“拉力”,把它吸引向了那个大物体。但实际上,它只是在遵循着弯曲的时空轨迹在运动。它以为自己在“直线前进”,但它前进的“直线”本身已经被那个有质量的物体改变了形状。这就像是在一个被扭曲的地图上导航,你以为自己走的是直线,但地图的弯曲导致你的实际路径也随之弯曲了。

所以,我们所感受到的引力,实际上是由于物体在弯曲的时空中运动所表现出来的现象。物质扭曲了时空,而时空的弯曲决定了物质如何运动。这是一个相互依存的关系。

引力的作用范围与强度

引力的影响范围非常广阔。任何有质量的物体都会对周围的时空产生一定程度的扭曲,只是扭曲的程度取决于它的质量。像行星、恒星、星系这样的天体,它们的质量巨大,对时空的扭曲也更显著,因此它们之间的引力作用也更明显。

引力的强度也遵循一个规律:距离越近,引力作用越强;距离越远,引力作用越弱。这也可以从时空弯曲的角度来理解:离大质量物体越近,时空弯曲得越厉害,运动物体受到的“引导”作用也就越强。随着距离的增加,时空的弯曲程度逐渐减小,引力也随之减弱。

一些补充和思考

牛顿的视角 vs. 爱因斯坦的视角: 在爱因斯坦之前,牛顿提出了万有引力定律,认为引力是一种“超距作用”,即两个物体之间存在一种看不见的“拉力”。牛顿的描述在解释行星运动等方面非常成功,而且在很多情况下仍然是精确的近似。但爱因斯坦的广义相对论从根本上改变了我们对引力的理解,它将引力解释为时空本身的性质,而非一种作用在物体之间的力。
量子力学与引力: 虽然广义相对论在描述宏观宇宙的引力现象方面表现出色,但在微观的量子世界里,引力也遵循着一套规则。目前,科学家们正在努力将广义相对论和量子力学结合起来,形成一个能够统一描述宇宙所有基本力的“量子引力”理论。这是一个非常活跃的研究领域,也是现代物理学面临的最大挑战之一。我们知道,在非常极端的条件下,比如黑洞的奇点处,目前的理论可能会失效。
暗物质和暗能量: 在我们现有的宇宙模型中,还有很多未知的部分,比如暗物质和暗能量。它们占据了宇宙的大部分能量密度,但我们却无法直接观测到它们。科学家们认为,暗物质和暗能量也参与到时空的扭曲中,对宇宙的整体结构和演化产生着重要的影响。它们如何产生引力(或者说如何影响时空),以及它们本身的本质,仍然是未解之谜。

总而言之,引力并非是凭空产生的,而是物质与时空互动产生的必然结果。质量的存在,使它成为时空的“雕塑家”,而时空的弯曲,则反过来指引着物质的运动方向。这是一个深邃而精妙的宇宙规律,我们对它的理解,也随着科学的进步在不断深化。

网友意见

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多图多视频。流量党慎点哟。


先说结论:有质量的物体弯曲了空间。

先看个视频。

用床单演示万有引力 https://www.zhihu.com/video/1123212319286697984

这个教授叫Dan Burns,是加尼福尼亚一大学教授。


床单演示万有引力 https://www.zhihu.com/video/1123212753992908800

这个比上面的效果好,画质也更好一些。是同样的演示内容。


有一些同学说,“请不要再用重物放在膜上面来解释引力了!”

我只想说这是最直观最能理解的方式,虽然在四面八方都是空间不存在床单的宇宙里引力不是这个样子的。

那么是什么样子呢?

我们可以从视频里得知一个有质量的物体会让空间向重力方向弯曲。那么一个天体周围的空间是如何弯曲,首先得看它的重力方向,即由四面八方汇聚到天体中心。

极端情况是黑洞,无论哪个方向的物质都被它吸引,然后往无限深处坠落。


觉得有用的话动动小手支持一下哟,谢谢大家。

以上,下面再放两个视频:

日本学生引力科普设备 https://www.zhihu.com/video/1123217911925665792


这个视频无字幕,差不多一个意思。比上面的视频多了用来表示空间的网格线。

质量让空间弯曲 https://www.zhihu.com/video/1123218435223744512


————————————————

下面是题外话:

视频中将暗物质对空间的影响表现为凸起(排斥),大质量的暗物质就像一座山,在宇宙里就是朝向四面八方的鼓风机。

和吸引所有物质的黑洞相反,把一切物质都推走。

“最诡异的是连暗物质都没有”这句话就不要信了。

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谢邀!

虽然现在很忙,但是这个问题实在太有趣了,忍不住。

现在先说一下为什么这个问题这么有趣。前最高票的答案说目前科学无解。非常正确,我们的确还不知道这个看似每个人都懂的引力到底是如何产生的。有几个答案说了一大堆,其实就在说引力干什么吃的。问题是引力如何产生的,不是引力的作用或特征。牛顿也回答不出如何产生这个问题。这也是爱因斯坦花了三十年时间,最后遗憾而去,未能解答的问题。目前无数的量子物理家门,弦理论家门,都视这题为目前物理界的终极理论。

因为要回答这个问题,其实就需要:The Theory of Everything 万有理论/一切的理论。

先说一下,宇宙有四种基本力,也就是物质间最基本的相互作用:

(1)电磁相互作用

(2)强相互作用

(3)弱相互作用

(4)引力相互作用

前年发现希格斯玻色子后,也就是所谓的上帝粒子,完全的证实了Standard Model标准模型。这个模型概括解释了强核力、弱核力和电磁力的基本组成和所有物质的基本粒子。用单一理论来解释这三个相互作用如何产生,就是Grand Unified Theory大统一理论。这也算是二十世纪,到二十一世纪,物理界最大的成果。

不过,目前还没能把引力一起统一解释。所以还需要更上一层的The Theory of Everything万有理论/一切的理论,来把这四力都统一了,才能知道引力到底这如何产生的。

虽然没有人可以说他们知道答案,不过目前有些非常有趣的假说,待会儿详细来说。。。

===

咱饭后继续来说了。Theory of Everything 万有理论可以算是目前物理学的终极目标。而我们熟悉的两个物理理论系统:

(1)量子力学

(2)广义相对论

就是有可能解释万有理论的两个竞争者。它们其实是竞争对手,因为两个理论虽然都有潜力在未来达成万有理论,不过以目前的定义,是不可能两者皆对的。

对,你没看错,我的确说这两个被视为二十世纪物理界最有影响力的两个理论不可能两者皆对。不过目前应用物理上来说,这还不是问题。因为一个是微观,一个是宏观,由于应用相差大,所以可以分开解释。虽然两个都在目前的实验上来说,已被反复的验证了,真不好说哪个对哪个错,不过目前的解释非常“乱”,并不完美,并不是统一的万有理论。但是未来有可能改变它们的定义,来容纳对方。反正现在只能说两个都只解释了宇宙奥秘的一部分。

量子引力是量子力学试着解释引力,以及想办法结合广义相对论的一个理论。其中一个概念是graviton引力子,是一个假设的基本粒子。如果引力子真的存在,它不会有质量或电荷,并且是引力的产生源。不过这个假设理论,虽然可以完美的解释引力来源以及完成万有理论,还是有非常大的实验证实问题的。可以说基本上不可能测到。具体为什么我就不多说了,反正有很多基本上的物理问题导致实际测量几乎不可能。而在科学上,不可能实验证实的理论,不是个好理论,不过这也并不代表这个假设不对。只能说我们有可能无法验证。

另外,说到万有理论,不可能不提到String Theory弦理论。因为它是目前最被看好的,或许可以最终达到万有理论境界的理论。而且,弦理论给出了量子力学和广义相对论结合的可能性。弦理论有非常多的子理论,比较难在这说清楚。基本上都是说宇宙刚开始的时候,宇宙四力都是一个统一的基本力。所有的粒子在最最小的微观大小里:普朗克长度,都有不同在振动的弦。根据这些弦不同的振动,而产生了不同的粒子的质量以及相互作用。

还有必须要说到的是Loop Quantum Gravity圈量子引力论。以前这个理论跟弦理论水火不容。不过近年也有结合两个理论的子理论了。和弦理论一样,圈量子引力论也在尝试统一量子力学和广义相对论,所以它跟弦理论都是比较有名的试着解释量子引力的竞争者。圈量子引力论的基本概念是宇宙时空本生就是量子化的,普朗克长度大小的粒状。宇宙就好像一圈圈织在一起的。引力就是有某种特征的圈圈而引起的。

在《生活大爆炸》里, Sheldon相信的是弦理论,而他的死对头Leslie Winkle就是圈量子引力论派的。

其它试着解释引力来源,以及想成为万有理论的假设和理论实在是多的数不过来。很多都有部分交叠的概念,而有些却有互相有矛盾的假设。到底那个理论才可以最终升华到万有理论的地位,那就不知道了。或许我们这一代就有可能知道,或许永远都解不了这个宇宙奥秘。

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最后分享一黑弦理论家门的笑话。。。

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你的感觉是对的。因为没有答案。只有公认。

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