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萬有引力是怎樣産生的?

2019-11-14 17:59  來源: 新華網

提起萬有引力,人們總會想起牛頓和蘋果樹的故事。萬有引力定律的提出是人類科學史上一個很大的進步,它既解釋了原來無法解釋的很多物理現象,又打開了更多未知領域的大門。萬有引力究竟是怎樣産生的呢?

 

 

在牛頓的萬有引力公式中,有一個萬有引力常數G。雖然按照公式來説,計算出常數G似乎是一件非常容易的事情,只要將物體基礎的測量數據代入到公式中即可。但實際上,地球上一般物體的質量太小了,所以它們之間的引力非常小,不易測量。而宇宙中的天體又太過遙遠和龐大,很難測量出它們的質量。在《自然哲學的數學原理》一書中,牛頓設想了一種可能的計算方式:將擺設置在一座山的附近,由于山會對擺施加引力,所以當擺運動時,其靠近山的一側會有微小的偏角,而這個偏角是可以測量的。再由此推算地球的平均密度和質量,最終計算出引力常數。但當時的牛頓認為山對擺的影響是小到無法測量的,最終沒有進行實驗。只是推測出地球的平均密度可能是水密度的五到六倍,他根據這個數據間接計算出了引力常數,但是與現代的測量數據相比較,還是有較大差距的。牛頓去世後,後繼者們仍未放棄對引力常數的追尋。直到1798年,卡文迪許終于利用扭秤實驗測得引力常數G的數值,這個結果與現代儀器測量的結果相比只有不到1%的誤差。以當時的實驗條件來看,是相當了不起的成就。

 

那萬有引力到底是什麼呢?

 

從量子力學的理論解釋:光子是組成物質的最基本粒子,在信息場相互作用下,光子必須不斷改變自己的狀態達到與其他光子的平衡。而萬有引力其實就是物質存在的一種信息場。從磁場理論解釋:世界上所有物質都是原子組成,原子正負電荷互相吸引時,物質之間形成的磁場力就是萬有引力。而用相對論解釋:萬有引力其實是不存在的,它不過是時空扭曲現象的必然結果而已。

在廣義相對論中,時間和空間不再是相對獨立的存在。考量物體運動的場景,不再是三維空間,而是時間與空間相互聯係的四維空間——時空。四維時空則可能不是平直的——它可能是以球面為代表的正曲率空間,也可能是以馬鞍面為代表的負曲率空間,只有在曲率為零時它簡化為平直空間。而時空的曲率,由其中的物質決定。

由此,從愛因斯坦場方程中,可以求解出不受外力的自由質點在彎曲空間的軌跡,它是四維時空中的一條螺旋狀曲線。如果把它投影到三維空間中,恰好是行星在太陽引力作用下的橢圓軌道。也就是説,行星圍繞太陽的運動,不過是它在四維時空中的慣性運動,根本不需要什麼萬有引力。

雖然從各種科學角度去分析萬有引力都有不同的解釋,但究竟哪種説法更接近真實情況目前還難以定論。而萬有引力的産生原理也還有必要進一步去探索求知。但不可否認的是,萬有引力的産生原理一旦被求證,必將掀開人類科學史又一偉大篇章。

本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創,轉載時務請注明出處。

作者: 邢紫巍   [責任編輯: 李浩]

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