universal gravitation
不但地球對它周圍的物體有吸引作用,而且任何兩個物體之間都存在這種吸引作用。物體之間的這種吸引作用普遍存在于宇宙萬物之間,稱為萬有引力。
萬有引力是由于物體具有質量而在物體之間產生的一種相互作用。它的大小和物體的質量以及兩個物體之間的距離有關。物體的質量越大,它們之間的萬有引力就越大;物體之間的距離越遠,它們之間的萬有引力就越小。
兩個通常物體之間的萬有引力極其微小,我們察覺不到它,可以不予考慮。比如,兩個質量都是60千克的人,相距0.5米,他們之間的萬有引力還不足百萬分之一牛頓,而一只螞蟻拖動細草梗的力竟是這個引力的1000倍!
但是,天體系統中,由于天體的質量和大,萬有引力就起著決定性的作用。在天體中質量還算很小的地球,對其他的物體的萬有引力已經具有巨大的影響,它把人類、大氣和所有地面物體束縛在地球上,它使月球和人造地球衛星繞地球旋轉而不離去。
重力,就是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產生的。
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,有時也稱重力。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1/1035 ,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1/1010。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2.83×10-4牛頓,相當于0.03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4×104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。恒星的形成,在高溫狀態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。
萬有引力的發現過程
在談論萬有引力發現的事件時,對於當時天文學及力學的發展情形也得有一些說明,才能了解當時代科學的背景,以及它是如何影響刺激牛頓發現萬有引力。
牛頓的萬有引力之簡單涵義
牛頓并不是發現了重力,他是發現重力是「萬有」的。每個物體都會吸引其他物體,而這股引力的大小只跟物體的質量與物體間的距離有關。牛頓的萬有引力定律說明,每一個物體都吸引著其他每一個物體,而兩個物體間的引力大小,正比於這它們的質量,會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「球的總質量集中到球的質心點」來代表整個球的萬有引力作用的總效果而發展了微積分。然而不管距離地球多遠,地球的重力永遠不會變成零,即使你被帶到宇宙的邊緣,地球的重力還是會作用到你身上,雖然地球重力的作用可能會被你附近質量巨大的物體所掩蓋,但它還是存在。不管是多小還是多遠,每一個物體都會受到重力作用,而且遍布整個太空,正如我們所說的「萬有」。
量子力學的解釋
我們知道,由光子是物質的基本粒子來看,物質的構成本身沒有意義,如果物質不能夠與環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、表達給自然界,自己就是以純暗物質的形式存在,盡管自己的壽命表現為無限長久,但是對環境、對自己沒有意義,只有它不斷與環境的其它光子信息相互作用光子能量,才能將自己的能量、質量表現出來,自己的光子信息才能變化,自己才能由生長到死亡,才能有自己存在的意義;這就是說任何物質,只要它存在,它就會不斷地與環境中的其它光子信息相互作用,這樣,物質的存在,各種作用力的存在,事實上,是通過自己周圍的光子信息場完成的。
如圖所示,物質 A 存在,是物質 A 不斷與環境作用光子信息能量,而表現自己的質量,當物質 B 存在的時候,由于 B 也要不斷與環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,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,宏觀表現為 B 對 A 有一個作用力,這個作用力,是所有物質共有的,稱為萬有引力。
也可以說成是,由于 B 的存在,導致了 A 周圍的光子信息力場的形狀發生了變化,這個力場的形狀發生了變化,本來沒有 B 的時候,物體 A 是一種平衡狀態,有了 B 以后,光子信息的力場發生了變化,物體 A 的作用力,由于平衡變成了不平衡,人們自然會說,這是物體 B 存在的結果,是物體 B 對 A 的作用力。
相對論的解釋
其實引力是不存在的。或者說引力只是這種現象的一種解釋而已。它不同于其他力。
“引力”其實是時空扭曲的表現,舉一個二維的例子:一張繃直的橡皮筋網
1.放上兩個質量不一,體積相同的球,網扭曲了
2.在1的基礎上,讓一個球在橡皮筋網上作勻速直線運動,直線與(同一個)球的位置距離越近,軌跡彎區越大
3.在2的基礎上,讓一個球在橡皮筋網上作勻速直線運動接近兩個質量不等的球,直線與兩個球的距離相同,經過質量大的球,軌跡彎區大
2跟3說明的現象與引力相似,而且也有質量越大、距離越小,引力越大
物體由于慣性沿直線運動,但在扭曲的空間運動,表現出來就是受到引力影響
事實上,引力扭曲的是四維時空。
還有一個例子:光經過大質量天體時會扭曲,但引力不能作用于光,所以解釋就是光沿直線傳播,在扭曲的時空中運動,就會扭曲。但光還是沿直線傳播
事實上,萬有引力并不是一種真實的力,比如牛頓說的萬有引力,是萬物之間皆有引力的簡寫。有確鑿證據表明:引力是電場力的作用。卡文迪許的扭秤測出的兩個球之間的引力是“分子間力”。宇宙星體間的作用都是靜電引力或斥力,圓周運動在于帶電星體在另一星體的磁場中受到了洛侖茲力。
萬有引力定律
萬有引力定律是解釋物體之間的相互作用的引力的定律。
萬有引力定律是牛頓在1687年于《數學原理》上發表的。定律指出:
兩物體間引力的大小與兩物體的質量的乘積成正比,與兩物體間距離的平方成反比,而與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。
用公式表示為:F=G*M1M2/(R*R) (G=6.67×10^-11N•m^2/kg^2) 可以讀成F等于G乘以M1M2除以R的平方商
更加嚴謹的表示是如下的矢量形式:
其中:
F: 兩個物體之間的引力
G: 萬有引力常數
m1: 物體1的質量
m2: 物體2的質量
r: 兩個物體之間的距離