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引力

引力(英语: gravitational ),任意两个物体或两个粒子间的与其质量 乘积相关的吸引力,自然界中最普遍的力,简称引力。

物理释义

任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力,自然界中最普遍的力,简称引力。在粒子物理学中则称引力相互作用和强力、弱力、电磁力合称4种基本相互作用。引力是其中最弱的一种,两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1/(1.235*10的36次方),质子受地球的引力也只有它在一个不强的电场1000伏/米的电磁力的1/(9.761*10的9次方)。因此研究粒子间的作用或粒子在电子显微镜和加速器中运动时,都不考虑万有引力的作用。一般物体之间的引力也是很小的,例如两个直径为1米的铁球,紧靠在一起时,引力也只有1.11×10牛顿,相当于0.113克的一小滴水的重量。但地球的质量很大,这两个铁球分别受到4×10牛顿的地球引力。所以研究物体在地球引力场中的运动时,通常都不考虑周围其他物体的引力。

天体如太阳和地球的质量都很大,乘积就更大,巨大的引力就能使庞然大物绕太阳转动。引力就成了支配天体运动的唯一的一种力,但是形成这种引力的原因并非是天体之间的拉扯,而是天体对于其周边时空的扭曲。恒星的形成,在高温状态下不弥散反而逐渐收缩,最后坍缩为白矮星、中子星和黑洞,是由于其质量极大造成时空扭曲,进而产生时空挤压的作用所造成,而非来自于自身重力,因此引力也是促使天体演化的重要因素。质量越大,对时空的扭曲也就越大,引力也就越大。[1]

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对为什么产生引力没有详细解释。近代物理(广义相对论)认为万有引力是由于时空弯曲而产生。众所周知,两点之间线段最短,这是在平面几何中的公理,这线段就是短程线。然而,在被弯曲的四维时空里,短程线也被弯曲了。因此受到引力作用,行星沿短程线向太阳靠近,由于质量巧合(包括速度巧合)的原因,又因为行星具有惯性(很多人理解成离心力,这是错的,离心力只是假象,宇宙中根本并不存在离心力,没有发现),从而周而复始的绕太阳按椭圆轨道公转。当质量不巧合时,会出现引力跳板现象,或撞向太阳。其中,构成天体系统的主要原因并不是引力,而是质量所引起的时空扭曲。

在地球上重力的吸引作用赋予物体重量并使它们向地面下落。此外,万有引力是太阳和地球等天体之所以存在的原因;没有万有引力天体将无法相互吸引形成天体系统,而我们所知的生命形式也将不会出现。万有引力同时也使地球和其他天体按照它们自身的轨道围绕太阳运转,月球按照自身的轨道围绕地球运转,形成潮汐,以及其他我们所观察到的各种各样的自然现象。

万有引力

1)物体间相互作用的一条定律,1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,而与它们之间的距离的平方成反比。如果用m1.m2表示两个物体的质量,r表示它们间的距离,则物体间相互吸引力为。[2]

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,G称为万有引力常数。 万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律,而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外,还受到太阳的引力,从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外,他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后,才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上,从而创立了天体力学。简单的说,质量越大的东西产生的引力越大,地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。

2)任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。

不同解释

引力在经典物理学中被认为是宇宙中几大基本力之一,跟质量成正比、跟距离的平方成反比。但在爱因斯坦的理论中引力已经不是一种基本力了,而仅仅是时空结构发生弯曲后的表现而已。而导致时空结构发生弯曲的原因就是巨大的质量。

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举一个例子:太阳系内的行星围绕太阳运行,在经典物理学中的解释是因为行星受到了太阳的引力作用,而围绕太阳运行。

而按照广义相对论的理论,太阳周围的时空被太阳巨大的质量影响,形成时空弯曲,而行星则是按照其测地线运动。

牛顿的重力定律还是现代对重力的一般认识,在1687年(丁卯年),牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中发表了万有引力定律。牛顿的万有引力定律的陈述如下:

“宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。“

(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.)

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具体到黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力,科学家在解释这种吸引力的时候,把它的原因归结为空间弯曲。而造成空间弯曲的原因是黑洞本身的巨大质量。

说到引力归根结底是和质量有关,万有引力是把引力视为由质量引起的一种基本力,而爱因斯坦相对论则把引力视为质量引起的时空弯曲的表现。

量子力学认为,引力是由于两个粒子交换引力子导致的。

意义

17世纪早期,人们已经能够区分很多力,比如摩擦力、重力、空气阻力、电力和引力等。牛顿首次将这些看似不同的现象准确地归结到万有引力概念里:苹果落地,人有体重,月亮围绕地球转,所有这些现象都是由相同原因引起的。牛顿的万有引力定律简单易懂,涵盖面广。 牛顿的万有引力概念是所有科学中最实用的概念之一。牛顿认为万有引力是所有物质的基本特征,这成为大部分物理科学的理论基石。

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黑洞

光之所以会被黑洞吸进去,这是因为引力大造成空间扭曲,光随着被扭曲的空间走而进入黑洞里,大家都知道光只走直线,光并不是被引力吸进去的,而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞。打个比方,在纸上画一条线,把那张纸扭曲,它还是一条线。

光是沿直线传播的,根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉弯了。

引力是如何产生的

关于这个问题,Verlinde提出了一个非常新颖的观点,即引力是一种熵力,并且在这个假设下得到了万有引力定律。引起了很大的反响,也有不少的人在跟进这个工作,现在不知道怎么样了,最近稍稍了解了一点这个工作。

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这个回答只涉及简单的代数运算。熵力这个概念来自于生物物理,宏观系统总是趋向于熵极大的状态,而如果存在外力来破坏这个熵极大的状态,那么系统为了保持平衡,就会出现抵抗熵减小的力。所以熵力实际上是一种宏观力,和摩擦力,支持力等一样,而不是基本的相互作用。另外,根据熵力的定义,熵力指向熵增加的方向。而引力通常被认为是一种基本的相互作用,而Verlinde的工作指出引力也许是一种熵力。

引力是什么?引力真的存在吗

我们从小就听过牛顿被苹果树上掉下的苹果砸,然后脑袋好像开了光一样,一下就想明白了万有引定律了。这个故事或多或少是有演绎的成分,真实性堪忧,最早也仅仅载于没见过牛顿的伏尔泰的书中,他也是打听来的。


而如今万有引定律几乎是所有受到过教育的人都知道的一个物理学理论。但是如果我们仔细思考一下,万有引力真的存在吗?

相信大多数人都会坚信引力是存在的,并且可以提出一些相关的证据,就比如苹果会掉地上。但有趣的是,爱因斯坦曾经提出过著名的广义相对论,他认为引力并不存在,实际上那是时空的弯曲。

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那问题就来了,同样都是物理学的大神,如果要给物理学家排个序,这两位绝对是占据前二的。大神的观点不同,那到底应该听谁的?

实际上,我们可以说两个人都对了,或者说两个人都错了。两个人的理论都是在解释“苹果掉地上”这个现象,在解释的过程中,就会用到“万有引力”,“时空弯曲”这样的词汇,这其实是两位科学家取的名字。因此,现象是永远存在的,但是会因为不同的理论,而有不同的命名方式。那问题来了,关于“苹果掉落到地面上”的现象,不同的人又有哪些不同的解释呢?

今天,我们就来挨个说说。

万有引力定律

最早的引力理论并非是来自于牛顿,而是亚里士多德。其实在2000多年前的古希腊,古希腊的先哲们就开始探讨这个问题了。最终,亚里士多德提出,万物是由水、火、土、气、以太构成的。其中,月球之上的宇宙是由以太构成的,月球一下的则是有水、火、土、气构成,水和土比较重,因此有往地面运动的倾向,火和气比较轻,因此都是往上飘的。

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亚里士多德这套理论和地心说巧妙结合在了一起,在整个西方文化圈统治了上千年。直到牛顿的出现,这个局面才被打破。牛顿在研究这个现象时,其实已经知道了许多基本知识,比如向心力和圆周运动的而关系,甚至还有了微积分的基本思想。基于这些,牛顿提出了万有引力定律,他认为物体之间有彼此吸引的力,这个“力”被称为万有引力。万有引力与物体的质量成正比,与物体间距离的平方成反比。


而牛顿的这一套其实是建构在一个基础之上的,这个基础就是绝对时空观。那什么是绝对时空观呢?

牛顿认为,时间和空间是刚性的,对于任何人来说都是相同的,一秒就是一秒,一米就是一米,和物体的运动状态无关。因此,他还认为万有引力是一种超距作用,说白了就是瞬间完成传递的一种作用力。

但如果你要问牛顿,那万有引力是如何产生的?客观地说,牛顿也说不出一个令人满意的答案。

广义相对论

虽然牛顿没有给出一个令人满意的答案。但是到了上世纪,爱因斯坦先是在1905年提出了狭义相对论,在狭义相对论中,他统一了时间和空间,他认为这两者是密不可分的,应该合起来看,并称为时空。而我们所生活的就是四维时空,是一维的时间和三维的空间。

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随后,爱因斯坦试图对相对论进行推广。到了1915年,爱因斯坦推导出了广义相对论。狭义相对论的讨论其实是在惯性参考系下的,也就是平直的时空,而广义相对论这是推广到了任意的参考下,也就是说,可以是弯曲的时空。

爱因斯坦通过等效原理,推导得到了,引力和加速度所产生的惯性力是等效的,这也被称为弱等效原理,其实还有一个强等效原理,由于篇幅关系,就不赘述了。


因此,爱因斯坦就得到引力的本质其实是时空的弯曲。如果我们从二维的视角来看,月球绕着地球转,牛顿的解释是两者之间的引力作用。而在广义相对论当中这是因为地球压弯了周围的时空,而月球在沿着时空的测地线在运动,这里的测地线类似于二维平面中的直线。

总结

根据近100年来的观测和实验,我们知道,广义相对论要远比牛顿的万有引力定律更具有普适性。因此,目前关于引力现象的主流理论是广义相对论,也就是说,引力现象是由时空弯曲造成的。但由于在宏观低速,引力场较弱的情况下,牛顿的理论是广义相对论的近似解。因此,我们如今还在使用。除了万有引力定律,广义相对论,其实还有引力子理论,只不这个理论的误差很大,并非是主流的科学理论。

参考来源