萬有引力
universal gravitation
任意兩個(gè)物體或兩個(gè)粒子間的與其質(zhì)量乘積相關(guān)的吸引力.自然界中最普遍的力.簡(jiǎn)稱引力,有時(shí)也稱重力.在粒子物理學(xué)中則稱引力相互作用和強(qiáng)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(gè)質(zhì)子間的萬有引力只有它們間的電磁力的1／1035 ,質(zhì)子受地球的引力也只有它在一個(gè)不強(qiáng)的電場(chǎng)1000伏／米的電磁力的1／1010.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(yùn)動(dòng)時(shí),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(gè)直徑為 1米的鐵球 ,緊靠在一起時(shí) , 引力也只有2.83×10-4牛頓,相當(dāng)于0.03克的一小滴水的重量 .但地球的質(zhì)量很大,這兩個(gè)鐵球分別受到4×104牛頓的地球引力 .所以研究物體在地球引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí),通常都不考慮周圍其他物體的引力.天體如太陽(yáng)和地球的質(zhì)量都很大,乘積就更大,巨大的引力就能使龐然大物繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng).引力就成了支配天體運(yùn)動(dòng)的唯一的一種力.恒星的形成,在高溫狀態(tài)下不彌散反而逐漸收縮,最后坍縮為白矮星、中子星和黑洞 , 也都是由于引力的作用,因此引力也是促使天體演化的重要因素.
萬有引力的發(fā)現(xiàn)過程
在談?wù)撊f有引力發(fā)現(xiàn)的事件時(shí),對(duì)於當(dāng)時(shí)天文學(xué)及力學(xué)的發(fā)展情形也得有一些說明,才能了解當(dāng)時(shí)代科學(xué)的背景,以及它是如何影響刺激牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力.
有關(guān)力學(xué):
牛頓了解伽利略早先所發(fā)展出來的慣性觀念,他知道在不受外力作用的情形下,動(dòng)者恒做等速度直線運(yùn)動(dòng).他也知道若一個(gè)運(yùn)動(dòng)中物體的速率或運(yùn)動(dòng)方向有了變化,其中必定有力的作用.當(dāng)時(shí)的牛頓,受到天文學(xué)家哥白尼提出的「地球繞日的圓形軌道」的影響可能正對(duì)月亮的運(yùn)行軌跡不是直線、是繞著地球的圓形軌道而深感困惑.但是他已知道,由海更士提出「一物體要作圓周運(yùn)動(dòng)需要施一個(gè)向中心的力量」的理論.由天文看,行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)也應(yīng)需要一向心的吸引力量,可是,這個(gè)力到底是什么?
有關(guān)天文學(xué):
西元1543年哥白尼提出天體運(yùn)行論,以太陽(yáng)為諸行星的運(yùn)轉(zhuǎn)中心和地球自轉(zhuǎn)來解釋星象,對(duì)人類以自我為中心的宇宙觀作了一個(gè)革命性的改變.其后克卜勒分別在西元1609年提出行星運(yùn)行第一定律「運(yùn)行的軌道為橢圓,太陽(yáng)位在橢圓的一焦點(diǎn)上」及第二定律「等面積定律；行星與太陽(yáng)連線在相同的時(shí)間內(nèi),掃過的面積相同」及西元1619年提出的第三定律「周期定律；行星周期T的平方正比於軌道平均距離的立方」這三個(gè)定律揭示出幾個(gè)問題:
1. 軌道可以是圓的,也可以是橢圓的,什么樣的作用方式,可以形成這樣的軌道運(yùn)行呢?
2. 太陽(yáng)處?kù)稒E圓一焦點(diǎn)上,顯示行星是繞著太陽(yáng)的,是什么力量使它們繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)呢?
3. 由周期與軌道半徑的關(guān)系(周期平方正比於軌道半徑三次方),這又意味著是什么作用的方式所形的呢?
牛頓的偉大,就是看出了月亮是一直朝著地球「掉落」的,道理就和蘋果的掉落相同.他推論月亮與蘋果掉落的原因,都是由於地球重力在拉的結(jié)果.
掉落中的月球
牛頓又進(jìn)一步發(fā)展他的想法.他比較了掉落中的蘋果與掉落中的月亮,后來牛頓了解到,如果月亮沒有朝著地球掉落的話,它將會(huì)做直線運(yùn)動(dòng),最后則會(huì)脫離繞地軌道,所以他認(rèn)為月亮正繞著地球而掉落(月球可是很認(rèn)真的掉唷).因此,月亮必定掉落在那條沒受到外力時(shí)應(yīng)該會(huì)走的下方.牛頓大膽地假設(shè),月球在重力的吸引下,只是一個(gè)繞著地球轉(zhuǎn)的拋體而已.至於月球的切線速度是怎么來的,可能就是在宇宙大霹靂、創(chuàng)世之時(shí)就決定了,而月球的切線速度大小將會(huì)決定它繞地球的軌道是圓形、橢圓形、拋物線、雙曲線或是撞上地球.
牛頓的萬有引力之簡(jiǎn)單涵義
牛頓并不是發(fā)現(xiàn)了重力,他是發(fā)現(xiàn)重力是「萬有」的.每個(gè)物體都會(huì)吸引其他物體,而這股引力的大小只跟物體的質(zhì)量與物體間的距離有關(guān).牛頓的萬有引力定律說明,每一個(gè)物體都吸引著其他每一個(gè)物體,而兩個(gè)物體間的引力大小,正比於這它們的質(zhì)量,會(huì)隨著兩物體中心連線距離的平方而遞減.牛頓為了證明只有球形體可把「球的總質(zhì)量集中到球的質(zhì)心點(diǎn)」來代表整個(gè)球的萬有引力作用的總效果而發(fā)展了微積分.然而不管距離地球多遠(yuǎn),地球的重力永遠(yuǎn)不會(huì)變成零,即使你被帶到宇宙的邊緣,地球的重力還是會(huì)作用到你身上,雖然地球重力的作用可能會(huì)被你附近質(zhì)量巨大的物體所掩蓋,但它還是存在.不管是多小還是多遠(yuǎn),每一個(gè)物體都會(huì)受到重力作用,而且遍布整個(gè)太空,正如我們所說的「萬有」.
牛頓與萬有引力定律
牛頓第一定律為:一切物體總保持運(yùn)速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).
牛頓第一定律又叫慣性定律.
牛頓第二定律為:物體的加速度跟作用力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比.
牛頓第三定律為:兩個(gè)物體間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一直線上.
萬有引力的形成原理
萬有引力是存在于任何物體之間的相互吸引力.兩個(gè)物體見的萬有引力,其大小和他們的質(zhì)量的乘積成正比,和他們的距離成反比.
—《新華字典》
人們都知道,愛因斯坦是一代物理大英雄,他在生活的幾十年中,同樣要思考這個(gè)本質(zhì)問題,為什么物質(zhì)間會(huì)有萬有引力,特別是在他的晚年,進(jìn)行了力場(chǎng)的統(tǒng)一研究,盡管在物理科學(xué)的統(tǒng)一研究上沒有過多成績(jī),必定是做了一定的工作,給后人的研究帶來一定的啟示.特別是愛因斯坦的相對(duì)論,為了說明物質(zhì)質(zhì)量與能量間的關(guān)系,建立了質(zhì)能方程,為了說明自然界的光速為極限速度,他假假設(shè)了自然界存在的光速度是極限速度,沒有比這個(gè)速度更大的速度,當(dāng)物質(zhì)速度疊加的時(shí)候,相對(duì)速度不會(huì)超過光速,并且速度越大,物質(zhì)的質(zhì)量越大,這個(gè)系統(tǒng)稱為愛因斯坦的狹義相對(duì)論；為了說明物質(zhì)間存在萬有引力,愛因斯坦認(rèn)為宇宙就相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng),一個(gè)物質(zhì)的存在,都會(huì)將這個(gè)網(wǎng)壓得變型,使物質(zhì)周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲,從而讓另一個(gè)物質(zhì)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),這個(gè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相當(dāng)于存在的這個(gè)物體對(duì)它的作用力,這個(gè)稱為廣義相對(duì)論.
愛因斯坦的相對(duì)論,非常高深,能夠聽明明白的人很少,能夠理解的人更是少之甚少.今天我們用光子是物質(zhì)的基本粒子,來進(jìn)一步說明,物質(zhì)間存在萬有引力是一個(gè)很簡(jiǎn)單的問題,它變得非常輕松,理論上容易理解.因?yàn)樽匀唤绲拇嬖诒緛砭褪欠浅：?jiǎn)單的事,是因?yàn)槿祟惖纳鐣?huì)屬性,讓人類變得與自然界不同,并且由于人類的思想、聽覺、文明、文化,長(zhǎng)期過著人類的社會(huì)生活,讓人類忘記了自然界的共同語(yǔ)言,讓人類失去了與自然界直接交換全面光子信息的能力,而只交換頻率范圍非常窄的光子信息,讓人類自己走上了極端,是人類自己變得復(fù)雜,反倒對(duì)自然界不容易理解.
我們知道,由光子是物質(zhì)的基本粒子來看,物質(zhì)的構(gòu)成本身沒有意義,如果物質(zhì)不能夠與環(huán)境中的其它光子信息相互作用,它就不能將自己的能量、存在形式、表達(dá)給自然界,自己就是以純暗物質(zhì)的形式存在,盡管自己的壽命表現(xiàn)為無限長(zhǎng)久,但是對(duì)環(huán)境、對(duì)自己沒有意義,只有它不斷與環(huán)境的其它光子信息相互作用光子能量,才能將自己的能量、質(zhì)量表現(xiàn)出來,自己的光子信息才能變化,自己才能由生長(zhǎng)到死亡,才能有自己存在的意義；這就是說任何物質(zhì),只要它存在,它就會(huì)不斷地與環(huán)境中的其它光子信息相互作用,這樣,物質(zhì)的存在,各種作用力的存在,事實(shí)上,是通過自己周圍的光子信息場(chǎng)完成的.
如圖所示,物質(zhì) A 存在,是物質(zhì) A 不斷與環(huán)境作用光子信息能量,而表現(xiàn)自己的質(zhì)量,當(dāng)物質(zhì) B 存在的時(shí)候,由于 B 也要不斷與環(huán)境的光子信息相互作用,這 B 就不同程度地影響了 A 周圍的光子信息內(nèi)容,從宏觀的角度來看,是 B 擋住了來自 A 周圍的光子信息,改變了 A 周圍的光子信息場(chǎng),從大的方面來看,是來自于左方的光子信息能量要多一些,來自于 A 的右方光子信息能量要少一些,宏觀表現(xiàn)為 B 對(duì) A 有一個(gè)作用力,這個(gè)作用力,是所有物質(zhì)共有的,稱為萬有引力.
也可以說成是,由于 B 的存在,導(dǎo)致了 A 周圍的光子信息力場(chǎng)的形狀發(fā)生了變化,這個(gè)力場(chǎng)的形狀發(fā)生了變化,本來沒有 B 的時(shí)候,物體 A 是一種平衡狀態(tài),有了 B 以后,光子信息的力場(chǎng)發(fā)生了變化,物體 A 的作用力,由于平衡變成了不平衡,人們自然會(huì)說,這是物體 B 存在的結(jié)果,是物體 B 對(duì) A 的作用力.