什么是万有引力?

长知识 2019-11-15 红锦网

  提起万有引力,人们总会想起牛顿和苹果树的故事。万有引力定律的提出是人类科学史上一个很大的进步,它既解释了原来无法解释的很多物理现象,又打开了更多未知领域的大门。万有引力究竟是怎样产生的呢?


  在牛顿的万有引力公式中,有一个万有引力常数G。虽然按照公式来说,计算出常数G似乎是一件非常容易的事情,只要将物体基础的测量数据代入到公式中即可。但实际上,地球上一般物体的质量太小了,所以它们之间的引力非常小,不易测量。而宇宙中的天体又太过遥远和庞大,很难测量出它们的质量。在《自然哲学的数学原理》一书中,牛顿设想了一种可能的计算方式:将摆设置在一座山的附近,由于山会对摆施加引力,所以当摆运动时,其靠近山的一侧会有微小的偏角,而这个偏角是可以测量的。再由此推算地球的平均密度和质量,最终计算出引力常数。但当时的牛顿认为山对摆的影响是小到无法测量的,最终没有进行实验。只是推测出地球的平均密度可能是水密度的五到六倍,他根据这个数据间接计算出了引力常数,但是与现代的测量数据相比较,还是有较大差距的。牛顿去世后,后继者们仍未放弃对引力常数的追寻。直到1798年,卡文迪许终于利用扭秤实验测得引力常数G的数值,这个结果与现代仪器测量的结果相比只有不到1%的误差。以当时的实验条件来看,是相当了不起的成就。


  那万有引力到底是什么呢?


  从量子力学的理论解释:光子是组成物质的最基本粒子,在信息场相互作用下,光子必须不断改变自己的状态达到与其他光子的平衡。而万有引力其实就是物质存在的一种信息场。从磁场理论解释:世界上所有物质都是原子组成,原子正负电荷互相吸引时,物质之间形成的磁场力就是万有引力。而用相对论解释:万有引力其实是不存在的,它不过是时空扭曲现象的必然结果而已。


  在广义相对论中,时间和空间不再是相对独立的存在。考量物体运动的场景,不再是三维空间,而是时间与空间相互联系的四维空间——时空。四维时空则可能不是平直的——它可能是以球面为代表的正曲率空间,也可能是以马鞍面为代表的负曲率空间,只有在曲率为零时它简化为平直空间。而时空的曲率,由其中的物质决定。


  由此,从爱因斯坦场方程中,可以求解出不受外力的自由质点在弯曲空间的轨迹,它是四维时空中的一条螺旋状曲线。如果把它投影到三维空间中,恰好是行星在太阳引力作用下的椭圆轨道。也就是说,行星围绕太阳的运动,不过是它在四维时空中的惯性运动,根本不需要什么万有引力。


  虽然从各种科学角度去分析万有引力都有不同的解释,但究竟哪种说法更接近真实情况目前还难以定论。而万有引力的产生原理也还有必要进一步去探索求知。但不可否认的是,万有引力的产生原理一旦被求证,必将掀开人类科学史又一伟大篇章。


来源|科普中国

责任编辑|周晏如

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