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爱因斯坦为什么要修改牛顿的引力理论,现在普遍流行的答案是两个,一个是牛顿引力与狭义相对论不兼容,另外一个是牛顿引力是超距作用。但是,这是我们在今天的视角推测出的答案。
爱因斯坦当初的真正动机和出发点并不是这两个,而是思想一个不断循序渐进的过程,到了1912年已经发现牛顿引力必须要修改的问题,比如下面所列的几个问题:
下文节选自《破解引力广义相对论的诞生之路》一书
第一个问题:在第8、9、10章详细谈到过,麦克斯韦等人从库仑力出发,一步一步发展出了麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是任意运动电荷之间的电力所需满足的方程,而库 仑力只是其中一种特殊情况,即电荷静止时的特殊情况。所以库仑力所满足的方程只适用于电荷静止时的特殊情况。由于牛顿引力和库仑力的相似性,电磁场理论这个结论当然就意味着牛顿引力也只是适用于物质静止时的特殊情况。那么当物质运动起来之后,也应该存在类似于麦克斯韦方程组那样的引力方程组,来描述任意运动物体之间的引力。
特别是在第18章谈到过,爱因斯坦已经推导出加速运动的球壳对中心小球也会产生感应力的结论,所以对于爱因斯坦而言,支持电磁力与引力之间存在这种类似性的证据就变得更加坚实了。
不过引力还存在一些电磁力不具有的新特点,这些特点导致修正之后的新引力理论与电 磁场理论又不完全相同。这些新特点就是牛顿引力面临的下面这些问题。
第二个问题:在第18章推导过,当两物体靠近时,它们的静止质量都增加。这也意味 着作为引力源的物体质量也增加了。那么,增加的这部分质量也应该包含在引力源中。为此,作为引力源的质量密度就需要修改。
第三个问题:在第19章推导过,引力场所也分布着能量,即引力场的能量。如果引力 场的能量也具有引力质量,那么它应该被纳入引力源中去,即下面这部能量所对应的质量也应该纳入引力源中去。
第四个问题:在第16章推导过,引力场中径向方向的空间长度的真实长度变长了,所以空间的真实体积也变大了。那么物质的质量密度会相应变小,所以引力场方程还需要考虑这个改变所带来的影响。
第五个问题:在第17章推导过,自由物体在重力场的时空中的运动轨迹是一条严格的直线;但根据牛顿引力推导出的结果却是自由物体在重力场的时空中的运动轨迹只是近似一 条直线。所以牛顿引力只是近似正确的。
第六个问题:在第22章还会谈到,压强也是引力源,它也可以产生引力。
以上这些问题都表明,不仅仅是从理论自洽性的角度,从实际问题的角度,牛顿引力也必须要修改了。
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