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【物理科普】牛顿和爱因斯坦差别在哪里?

环球物理  · 公众号  · 物理  · 2025-01-25 20:30

正文

牛顿和爱因斯坦都是迄今为止最伟大的物理学家, 前者是经典物理的代表,后者则是现代物理学的开拓者。


艾萨克·牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日)爵士,英国皇家学会会长,英国著名的物理学家,百科全书式的“全才”,著有《自然哲学的数学原理》、《光学》。


他在1687年发表的论文《自然定律》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律;为太阳中心说提供了强有力的理论支持,并推动了科学革命。


在力学上,牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理,提出牛顿运动定律 。在光学上,他发明了反射望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察,发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律,并研究了音速。


在数学上,牛顿与戈特弗里德·威廉·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理,提出了“牛顿法”以趋近函数的零点,并为幂级数的研究做出了贡献。


在经济学上,牛顿提出金本位制度。

牛顿主要的贡献是万有引力定律,微积分力学三大定律。三大定律分别是惯性定律,加速度定律(F=ma),和力的相互作用。

牛顿力学统治了物理学三百年左右,其理论和实践也相符的很好。但是直到近现代,物理学开始深入了微观世界,发现牛顿力学定律就开始失效。比如核外电子是概率性的分布着,而不是按照万有引力 运动着!


阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879年3月14日—1955年4月18日),出生于德国符腾堡王国乌尔姆市,毕业于苏黎世联邦理工学院,犹太裔物理学家。


爱因斯坦于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭(父母均为犹太人),1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,获苏黎世大学哲学博士学位,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖,1905年创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。1955年4月18日去世,享年76岁。


爱因斯坦为核能开发奠定了理论基础,开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

牛顿和爱因斯坦 奉行着不同的时空观!

牛顿一直奉行着绝对时空观。这种时空观 对于普通人来说特别熟悉,这种时空观基本上是凭感觉,凭常识得出了的。绝对时空观认为,空间就是空间,是平直的,均匀的分布在每一个地方。时间就是时间,均匀的流逝着,时间和空间没有半毛钱关系! 这种绝对时空观也畸形出了以太(一种假想的 不存在的绝对静止参考系)。

艾萨克·牛顿(1643.1.4-1727.3.31)

爱因斯坦则认为,时间和空间是相互影响的。时间只是一种描述物质运动变化的特征,和物质的运动速度有着密切关系,一个物体的速度越快,质量就越大,则相对于速度较慢的参考系,时间就过的越慢(小心双生子佯谬)。而空间并不是均匀的分布着,有质量的存在,周围的空间就是弯曲的,质量越大 ,弯曲程度就越大。

阿尔伯特·爱因斯坦(1879.3.14-1955.4.18)

牛顿和爱因斯坦对引力的解释不同

牛顿认为物体之间都存在引力,这是不言而喻的规律,它们之间的引力大小 和质量成正比,和距离的二次方成反比。任何物体之间都遵循这样的定律。

1916年爱因斯坦发表了《广义相对论》,是关于时空引力的理论。爱因斯坦认为 物体之间之所以存在引力,是因为一个物体的存在弯曲了周围的空间。太阳的质量很大,使得周围的空间扭曲程度(时空曲率)相对于周围的行星大得多,迫使行星围绕自己公转。 为了方便起见,可以这样理解,一条马路是弯折的,而路上的车辆沿着马路行驶 也必须是弯折的前行着。

太阳扭曲了周围的空间,紧紧的束缚了地球的运动

引力波的发现 更加验证了时空扭曲理论!


在1916年 ,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。爱因斯坦在广义相对论中提出的,即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。通俗地说,可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波。

爱因斯坦认为 既然质量的存在会使空间弯曲,那么空间就应该会波动。

这就相当水的涟漪。平静的湖面(相当于空间)有个物体游动(相当于天体)势必会使水面产生涟漪。那么天体在空间的上的运动 势必也会产生涟漪般的波动,这就是引力的波动,简称引力波。这是爱因斯坦百年前的预言,现在终于得到了验证,世人再次被爱因斯坦所折服!!!

两个天体彼此环绕运动 产生了显著的引力波

引力波动态图

引力波的发现


1974年,拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯-泰勒脉冲双星。这双星系统在互相公转时,由于不断发射引力波而失去能量,因此逐渐相互靠近,这现象为引力波的存在提供了首个间接证据。


2016年2月11日,LIGO科学团队与处女座干涉仪团队共同宣布人类对于引力波的首个直接探测结果,其所探测到的引力波是源自于双黑洞并合。


2017年,莱纳·魏斯、巴里·巴利许与基普·索恩因成功探测到引力波,而获得诺贝尔物理学奖。


2017年10月16日,全球数十家科学机构联合宣布,从约1.3亿光年外,科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波,及其光学对应体。


牛顿力学依旧有用

尽管在严格意义上说,牛顿力学已经被爱因斯坦推翻。但为什么中学物理依旧学习牛顿呢? 这不仅是因为便于学生理解,更深层的原因是 牛顿力学在 宏观 低速 的世界里 适用的很完美。而我们不就是处于 宏观 低速 的世界吗? 爱因斯坦的相对论 不仅适用于 宏观低速的世界 也适用于 微观 高速的世界。所以说 牛顿力学是相对论的一个真子集(包含但不重合的关系) , 也可以认为牛顿力学是相对论在 宏观低速世界的 一种体现。

宏观低速世界里 相对论因子就不那么明显了!


到底,牛顿和爱因斯坦battle,谁的名气更大?


在2005世界物理年时,英国皇家学会曾就“谁是人类历史上最有影响力的科学家”进行了问卷调查。问卷结论显示,不管是英国皇家学会会员还是普通英国网民,都一致认为牛顿在科学贡献与人类进步发展史上的影响都超过了爱因斯坦。为此,英国皇家学会还发布了一个抢眼的新闻“Newton beats Einstein in polls of scientists and the public” ,并被多个国家的媒体转载。


但牛顿的名气真的大于爱因斯坦吗?


近日,Journal of Informetrics的一篇论文对两位科学巨匠的名气进行了比较。


该研究基于Google Books的3600万本可预览书籍图书和Google Scholar的9000万篇学术论文中科学家全名出现的词频,对爱因斯坦和牛顿这两位物理学大师的声望从实证上进行了分析。


研究显示,英国皇家学会的结论在英国有效,但在全球范围并非如此。作为英国人的牛顿,被英国出版书籍提及的频次一直高于爱因斯坦,而出生于德国后又加入美国国籍的爱因斯坦,则在德国及后期美国出版的书籍中被提及更多。这反映出科学家在自己国家或者共同语言的文化语境中具有更强的认同和影响力。


谷歌学术论文也告诉了人们一个类似的故事。在1918年到1948年之间的30多年里,牛顿和爱因斯坦在学术圈中被提及的次数不相上下。以1948年为分水岭,爱因斯坦开始占据上风至今。有趣的是,爱因斯坦声望超过牛顿的时间,在谷歌学术里比谷歌图书语料库中滞后了二十余年。如果我们有理由相信谷歌图书也包含了非学术的知识产出(比如小说、画报、教科书等等),这一差异也折射了学术圈内外科学家声望及演进速度的区别。


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