引力
物理釋義
任意兩個物體或兩個粒子間的與其質量乘積相關的吸引力,自然界中最普遍的力,簡稱引力。在粒子物理學中則稱引力相互作用和強力、弱力、電磁力合稱4種基本相互作用。引力是其中最弱的一種,兩個質子間的萬有引力只有它們間的電磁力的1/(1.235*10的36次方),質子受地球的引力也只有它在一個不強的電場1000伏/米的電磁力的1/(9.761*10的9次方)。因此研究粒子間的作用或粒子在電子顯微鏡和加速器中運動時,都不考慮萬有引力的作用。一般物體之間的引力也是很小的,例如兩個直徑為1米的鐵球,緊靠在一起時,引力也只有1.11×10牛頓,相當於0.113克的一小滴水的重量。但地球的質量很大,這兩個鐵球分別受到4×10牛頓的地球引力。所以研究物體在地球引力場中的運動時,通常都不考慮周圍其他物體的引力。
天體如太陽和地球的質量都很大,乘積就更大,巨大的引力就能使龐然大物繞太陽轉動。引力就成了支配天體運動的唯一的一種力,但是形成這種引力的原因並非是天體之間的拉扯,而是天體對於其周邊時空的扭曲。恆星的形成,在高溫狀態下不彌散反而逐漸收縮,最後坍縮為白矮星、中子星和黑洞,是由於其質量極大造成時空扭曲,進而產生時空擠壓的作用所造成,而非來自於自身重力,因此引力也是促使天體演化的重要因素。質量越大,對時空的扭曲也就越大,引力也就越大。[1]
對為什麼產生引力沒有詳細解釋。近代物理(廣義相對論)認為萬有引力是由於時空彎曲而產生。眾所周知,兩點之間線段最短,這是在平面幾何中的公理,這線段就是短程線。然而,在被彎曲的四維時空里,短程線也被彎曲了。因此受到引力作用,行星沿短程線向太陽靠近,由於質量巧合(包括速度巧合)的原因,又因為行星具有慣性(很多人理解成離心力,這是錯的,離心力只是假象,宇宙中根本並不存在離心力,沒有發現),從而周而復始的繞太陽按橢圓軌道公轉。當質量不巧合時,會出現引力跳板現象,或撞向太陽。其中,構成天體系統的主要原因並不是引力,而是質量所引起的時空扭曲。
在地球上重力的吸引作用賦予物體重量並使它們向地面下落。此外,萬有引力是太陽和地球等天體之所以存在的原因;沒有萬有引力天體將無法相互吸引形成天體系統,而我們所知的生命形式也將不會出現。萬有引力同時也使地球和其他天體按照它們自身的軌道圍繞太陽運轉,月球按照自身的軌道圍繞地球運轉,形成潮汐,以及其他我們所觀察到的各種各樣的自然現象。
萬有引力
1)物體間相互作用的一條定律,1687年為牛頓所發現。任何物體之間都有相互吸引力,這個力的大小與各個物體的質量成正比例,而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1.m2表示兩個物體的質量,r表示它們間的距離,則物體間相互吸引力為。[2]
,G稱為萬有引力常數。 萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規律,而且還指出木星、土星的衛星圍繞行星也有同樣的運動規律。他認為月球除了受到地球的引力外,還受到太陽的引力,從而解釋了月球運動中早已發現的二均差、出差等。另外,他還解釋了彗星的運動軌道和地球上的潮汐現象。根據萬有引力定律成功地預言並發現了海王星。萬有引力定律出現後,才正式把研究天體的運動建立在力學理論的基礎上,從而創立了天體力學。簡單的說,質量越大的東西產生的引力越大,地球的質量產生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。
2)任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。
不同解釋
引力在經典物理學中被認為是宇宙中幾大基本力之一,跟質量成正比、跟距離的平方成反比。但在愛因斯坦的理論中引力已經不是一種基本力了,而僅僅是時空結構發生彎曲後的表現而已。而導致時空結構發生彎曲的原因就是巨大的質量。
舉一個例子:太陽系內的行星圍繞太陽運行,在經典物理學中的解釋是因為行星受到了太陽的引力作用,而圍繞太陽運行。
而按照廣義相對論的理論,太陽周圍的時空被太陽巨大的質量影響,形成時空彎曲,而行星則是按照其測地線運動。
牛頓的重力定律還是現代對重力的一般認識,在1687年(丁卯年),牛頓在他的《自然哲學的數學原理》一書中發表了萬有引力定律。牛頓的萬有引力定律的陳述如下:
「宇宙中每個質點都以一種力吸引其他各個質點。這種力與各質點的質量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比。「
(Every particle in the universe attracts every other particle with a force that is directly proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them.)
具體到黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強的吸引力,科學家在解釋這種吸引力的時候,把它的原因歸結為空間彎曲。而造成空間彎曲的原因是黑洞本身的巨大質量。
說到引力歸根結底是和質量有關,萬有引力是把引力視為由質量引起的一種基本力,而愛因斯坦相對論則把引力視為質量引起的時空彎曲的表現。
量子力學認為,引力是由於兩個粒子交換引力子導致的。
意義
17世紀早期,人們已經能夠區分很多力,比如摩擦力、重力、空氣阻力、電力和引力等。牛頓首次將這些看似不同的現象準確地歸結到萬有引力概念里:蘋果落地,人有體重,月亮圍繞地球轉,所有這些現象都是由相同原因引起的。牛頓的萬有引力定律簡單易懂,涵蓋面廣。 牛頓的萬有引力概念是所有科學中最實用的概念之一。牛頓認為萬有引力是所有物質的基本特徵,這成為大部分物理科學的理論基石。
黑洞
光之所以會被黑洞吸進去,這是因為引力大造成空間扭曲,光隨着被扭曲的空間走而進入黑洞裡,大家都知道光只走直線,光並不是被引力吸進去的,而是光還是走直線,但空間扭曲而進到黑洞。打個比方,在紙上畫一條線,把那張紙扭曲,它還是一條線。
光是沿直線傳播的,根據廣義相對論,空間會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖仍然沿任意兩點間的最短距離傳播,但走的已經不是直線,而是曲線。形象地講,好像光本來是要走直線的,只不過強大的引力把它拉彎了。
引力是如何產生的
關於這個問題,Verlinde提出了一個非常新穎的觀點,即引力是一種熵力,並且在這個假設下得到了萬有引力定律。引起了很大的反響,也有不少的人在跟進這個工作,現在不知道怎麼樣了,最近稍稍了解了一點這個工作。
這個回答只涉及簡單的代數運算。熵力這個概念來自於生物物理,宏觀系統總是趨向於熵極大的狀態,而如果存在外力來破壞這個熵極大的狀態,那麼系統為了保持平衡,就會出現抵抗熵減小的力。所以熵力實際上是一種宏觀力,和摩擦力,支持力等一樣,而不是基本的相互作用。另外,根據熵力的定義,熵力指向熵增加的方向。而引力通常被認為是一種基本的相互作用,而Verlinde的工作指出引力也許是一種熵力。
引力是什麼?引力真的存在嗎
我們從小就聽過牛頓被蘋果樹上掉下的蘋果砸,然後腦袋好像開了光一樣,一下就想明白了萬有引定律了。這個故事或多或少是有演繹的成分,真實性堪憂,最早也僅僅載於沒見過牛頓的伏爾泰的書中,他也是打聽來的。
而如今萬有引定律幾乎是所有受到過教育的人都知道的一個物理學理論。但是如果我們仔細思考一下,萬有引力真的存在嗎?
相信大多數人都會堅信引力是存在的,並且可以提出一些相關的證據,就比如蘋果會掉地上。但有趣的是,愛因斯坦曾經提出過著名的廣義相對論,他認為引力並不存在,實際上那是時空的彎曲。
那問題就來了,同樣都是物理學的大神,如果要給物理學家排個序,這兩位絕對是占據前二的。大神的觀點不同,那到底應該聽誰的?
實際上,我們可以說兩個人都對了,或者說兩個人都錯了。兩個人的理論都是在解釋「蘋果掉地上」這個現象,在解釋的過程中,就會用到「萬有引力」,「時空彎曲」這樣的詞彙,這其實是兩位科學家取的名字。因此,現象是永遠存在的,但是會因為不同的理論,而有不同的命名方式。那問題來了,關於「蘋果掉落到地面上」的現象,不同的人又有哪些不同的解釋呢?
今天,我們就來挨個說說。
萬有引力定律
最早的引力理論並非是來自於牛頓,而是亞里士多德。其實在2000多年前的古希臘,古希臘的先哲們就開始探討這個問題了。最終,亞里士多德提出,萬物是由水、火、土、氣、以太構成的。其中,月球之上的宇宙是由以太構成的,月球一下的則是有水、火、土、氣構成,水和土比較重,因此有往地面運動的傾向,火和氣比較輕,因此都是往上飄的。
亞里士多德這套理論和地心說巧妙結合在了一起,在整個西方文化圈統治了上千年。直到牛頓的出現,這個局面才被打破。牛頓在研究這個現象時,其實已經知道了許多基本知識,比如向心力和圓周運動的而關係,甚至還有了微積分的基本思想。基於這些,牛頓提出了萬有引力定律,他認為物體之間有彼此吸引的力,這個「力」被稱為萬有引力。萬有引力與物體的質量成正比,與物體間距離的平方成反比。
而牛頓的這一套其實是建構在一個基礎之上的,這個基礎就是絕對時空觀。那什麼是絕對時空觀呢?
牛頓認為,時間和空間是剛性的,對於任何人來說都是相同的,一秒就是一秒,一米就是一米,和物體的運動狀態無關。因此,他還認為萬有引力是一種超距作用,說白了就是瞬間完成傳遞的一種作用力。
但如果你要問牛頓,那萬有引力是如何產生的?客觀地說,牛頓也說不出一個令人滿意的答案。
廣義相對論
雖然牛頓沒有給出一個令人滿意的答案。但是到了上世紀,愛因斯坦先是在1905年提出了狹義相對論,在狹義相對論中,他統一了時間和空間,他認為這兩者是密不可分的,應該合起來看,並稱為時空。而我們所生活的就是四維時空,是一維的時間和三維的空間。
隨後,愛因斯坦試圖對相對論進行推廣。到了1915年,愛因斯坦推導出了廣義相對論。狹義相對論的討論其實是在慣性參考系下的,也就是平直的時空,而廣義相對論這是推廣到了任意的參考下,也就是說,可以是彎曲的時空。
愛因斯坦通過等效原理,推導得到了,引力和加速度所產生的慣性力是等效的,這也被稱為弱等效原理,其實還有一個強等效原理,由於篇幅關係,就不贅述了。
因此,愛因斯坦就得到引力的本質其實是時空的彎曲。如果我們從二維的視角來看,月球繞着地球轉,牛頓的解釋是兩者之間的引力作用。而在廣義相對論當中這是因為地球壓彎了周圍的時空,而月球在沿着時空的測地線在運動,這裡的測地線類似於二維平面中的直線。
總結
根據近100年來的觀測和實驗,我們知道,廣義相對論要遠比牛頓的萬有引力定律更具有普適性。因此,目前關於引力現象的主流理論是廣義相對論,也就是說,引力現象是由時空彎曲造成的。但由於在宏觀低速,引力場較弱的情況下,牛頓的理論是廣義相對論的近似解。因此,我們如今還在使用。除了萬有引力定律,廣義相對論,其實還有引力子理論,只不這個理論的誤差很大,並非是主流的科學理論。