【直播回听】《六级物理课》第5次直播答疑

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六极物理课的更新时间是每周四19:05

课程直播答疑时间紧随其后，每周四20:13

这两个数字背后都有着特殊的含义：

1905年是物理学的奇迹之年，这一年26岁的爱因斯坦连续发表了五篇重要的论文，其中三篇成了物理学发展的核心；

2013年上帝粒子在实验上被证实并获得诺贝尔物理学奖的一年，上帝粒子是万事万物质量的成因，20世纪的物理学至此基本封顶。

【极大篇】第三章：万有引力答疑笔记 

问题1（用户@红色的麦克斯韦妖）：引力线是一种假想的模型，太阳的体积比其它行星大多了，它发出的引力线并不是点光源那样的效果，引力线到达地球就像太阳光线到达地球，几乎可以算作平行线，以前在做物理题的时候都是把太阳光线看作是平行光线的。所以，在引力线证明里面要把太阳看作是一个理想的质点吗？

对应课程内容：【极大篇 | 第三章：万有引力】02 万有引力定律：引力与距离的关系

回答：这里不需要把太阳看成一个质点，因为对于一个质点，反而没有办法定义它初始的引力线强度，因为质点的表面积是零，那么质点初始的引力线密度必须为无穷大，物理意义是不清晰的。

因为根据微积分，一个均匀球体的质量等效于把它的质量集中在一个球心。而对于太阳这样的恒星来说，由于内部大规模的聚变，充分流动，所以可以把它想象成一个密度相当均匀的球体，因此用引力线各向同性的假设没有问题。当然我们此处只是用太阳举例，这个引力线的思想讨论的本身就是一个理想的，密度均匀且各向同性的球体。

问题2（用户@王_母）：既然行星运动是围绕着恒星行星间的质心运动，那么在太阳损失能量时，就等于损失质量，那么这个质点就会向行星移动。那这个质点肯定不在恒星中心，那太阳会不会在损失质量时越来越转得圈大，最后飞走呢？

对应课程内容：【极大篇 | 第三章：万有引力】06 万有引力定律：天体运动的真实轨迹

回答：碰到这类问题的分析，我们应该采用定量的分析，太阳向外辐射能量，损失质量确实不假，但是太阳的质量是所有行星质量的很多倍，因此行星和太阳的质心都落在太阳以内。即便是辐射带走了很多能量，这些能量对于太阳总质量来说是微不足道的，具体的可以参考核反应过程中的质量亏损，非常之小，太阳的质心的移动非常之小，可以忽略不计。

问题3（用户@伊甸园的蛇）：地球绕太阳旋转的进动轨道会影响一年的长短吗？

对应课程内容：【极大篇 | 第三章：万有引力】06 万有引力定律：天体运动的真实轨迹

回答：理论上是会的，但是效果很微小，可以忽略不计。目前的纪年体系分为回归年和恒星年两种，恒星年是以整个宇宙为大背景，地球绕太阳旋转一周所需的时间，是固定的365日6小时9分10秒；回归年是太阳连续两次通过春分点的时间间隔，是在地球上观察的结果。回归年每年的长短都不一样，但这种差异也不是因为地球的进动轨道产生的，而是因为地轴的进动。因为太阳和月亮等星体施加在地球上的潮汐力，使春分点移动，才产生了回归年短于恒星年的现象。但不管是哪一种，都跟地球的进动轨迹没关系。

从大尺度的引力波和宇宙膨胀的角度来看的话，一年的长短会有细微变化，但是效果非常弱，因为引力极其弱，即便以引力波的形式进行能量辐射，它所带来的影响非常小，加上宇宙本身在膨胀，暗能量补充的宇宙膨胀趋势，应当可以充分弥补引力波辐射带来的影响，所以很有可能一年的长短是会轻微地增长的。

问题4 （@将犀利）严老师好！我再次提这个问题：引力常量G是否不是一个定值？而是与空间尺度或参与作用的总质量有关的量？当空间尺度足够大了或参与作用的质量足够多了，G值相应有较明显变化。或许这从理论上就可以绕开关于暗物质暗能量的设想。

回答：这个问题问得非常精彩，物理定律或者说物理常数的值确实有可能是会变化的，它可能随着宇宙的膨胀发生微小的改变，甚至在宇宙中不同的区域也有可能发生改变，更有可能在不同的宇宙尺度上发生改变。这种可能也是现代宇宙学比较前沿的方向，关于暗物质，也确实有相关方向的研究。宇宙学有一个基本假设是全宇宙的物理定律是一致的，但是目前来说，这只是一种基本假设，我们的探测手段没有办法直接探测全宇宙，所以说，确实存在我们的基本假设是不正确的情况。

【极重篇】第一章：广义相对论的基本原理导读 

我们整个【极重篇】都是用来讲解爱因斯坦的广义相对论的。

虽然牛顿的万有引力，我们已经比较清楚了，但是牛顿的万有引力，用来描述天体之间的关系是不完备的，它有很多问题回答不了，并且在更大的时空尺度下，牛顿的万有引力定律几乎是失效的。

这个时候，爱因斯坦的广义相对论，才是描述空间和时间在大尺度情况下联系的根本理论，并且在大时空尺度下，天体的运行规律、甚至天体的种类，都要经过广义相对论的改写。也就是说，广义相对论探讨的是，当质量极大的情况下的，唯一的特殊物理学效果。广义相对论，也是我们要去研究时空尺度大到全宇宙的根基，它是宇宙学研究的奠基性理论。

说起广义相对论，它在整个物理学中的地位是很特殊的，并不是因为它是极其高超、深奥的智慧，也不是因为它是爱因斯坦的天才创造。而是广义相对论几乎不与其他任何领域的物理学研究有任何明显的交叠。当然，在【极小篇】我们会谈到，目前物理学中最前沿的理论，超弦理论。超弦理论的目标就是尝试去融合广义相对论和量子力学，但是这项工作目前还并没有任何实验验证。因此广义相对论，它可以说是整个物理学中，遗世而独立的存在。

并且，广义相对论和狭义相对论的发展还非常不一样，在爱因斯坦之前，狭义相对论的原理，光速不变原理，大家其实已经有共识了，并且也被迈克尔逊莫雷干涉实验论证了。甚至在爱因斯坦之前，物理学家洛伦兹就已经做出了洛伦兹变换了，通过洛伦兹变换，我们曾经算过的钟慢、尺缩这些效果，都能做出来。爱因斯坦的狭义相对论的贡献其实是把这些问题作为一个专题进行了统合。因此，狭义相对论，也是从物理学的发展中自然流淌出来的。

但广义相对论就完全不同了，广义相对论的发明，可以完全归功于爱因斯坦的天才创造力。因为爱因斯坦研究广义相对论，并非受到一些实验现象的启发，而是完全靠自己的想象力、自己的思考能力，无中生有一般地创造出来。因此广义相对论在发明之初，与其它学科可以说是毫无交叠，由广义相对论才派生出了现代宇宙学。

因此，我们需要花整篇的时间，来介绍爱因斯坦的天才理论，广义相对论，它是整个物理学中最重要的分支之一，甚至不能说是分支，完全是独立存在的天才创造。它是宇宙学的基础，人类想要探明宇宙，广义相对论必须作为起点。

【极重篇】分为三章，在刚刚更新的第一章中我们将会讲广义相对论的基本原理，以及它的理论推导。我们先回答一下牛顿万有引力定律中没有回答的问题，看看有什么Bug，引出广义相对论对于引力的理解。你会发现，引力根本就不存在。

之后，我们跟【极快篇】讲狭义相对论的时候一样，先提出广义相对论的原理，就是等效原理。有了等效原理，广义相对论的结论就会流淌出来。

你会发现，广义相对论里要得出钟慢和尺缩，那比狭义相对论简单直接多了。之后我们有了广义相对论，再来讨论一下狭义相对论里的双生子悖论问题，你会发现这个悖论被解释得无比顺滑。

最后我们介绍一个神奇的现象，叫做引力红移，光的红移现象不光来自多普勒效应，还来自引力场。