【物理本质】物理专家为你揭示万有引力的本质.(好文收藏)

环球物理2020-04-20 22:19:51


牛顿的万有引力定律是他伟大一生中最重要的发现之一。他在开普勒三定律的基础上通过一系列巧妙的假设和数学推导,得到了万有引力公式。但是从新的角度来看,尤其是探究引力的本质和物理涵义时,对牛顿的结论又有了一些疑问。


1,一般观念:


丹麦天文学家Tyeho Brache连续二十年对太阳系各行星进行观察所得的数据又经开普勒近二十年的分析总结,产生了开普勒三定律即:第一定律——轨道定律:行星运行的轨道都是椭圆形的,太阳位于椭圆的一个焦点上。第二定律——面积定律:行星向径(行星与太阳的连线)在单位时间内所扫过的面积相等。第三定律——周期定律:行星公转周期的平方与它们各自轨道半长径的立方成正比。以T表示行星运行周期,以r表示行星轨道半长径,则:


但是之后开普勒对于此现象的进一步解释却由于过分着眼于对称性因而目前已经被证明是错误的。


Newton在开普勒的工作基础上,在经典力学的方法下,研究特殊情况下的行星运动:匀速圆周运动。根据向心加速度:


v是行星运行的速率,r是圆形轨道半径),根据开普勒第三定律即有


之后,Newton作了一个假设:引力是万有的,普适的,统一的!在这个假设下,Newton预言了月球的半径并进一步提出了引力常数的概念,最后由开文迪许通过实验求出了其值。


解决了引力的线性叠加问题后,在圆周轨道上万有引力定律的成功,再通过数学手段推广到椭圆轨道(椭圆轨道即是行星在固定轨道高度上的速度并不等于相同高度圆轨道的速度,且在一定的范围内,保证行星不至于脱离引力束缚且同时不靠近中心星体的状态下所作运动的轨迹。)。至此,万有引力定律得以完全证明。



2,问题:


牛顿万有引力定律所遇到的问题在于,万有引力的机制是什么?万有引力定律是公理吗?进一步的,万有引力是力吗?


万有引力定律目前是被当作公理来对待的,是属于牛顿的力学体系的一条公理。因为Newton力学理论体系的基本定律是其三定律。而其三定律没有包含"重力"方面的内容,作为"重力"方面内容的补充,不得不把引力定律当作基本定律来运用了。


这其中的问题在于,传说中Newton发现万有引力是观察苹果掉落的结果:如果万有引力不存在,那么苹果就不会掉下了。因而我们可以看到,这推论的先决条件是,若物体不受力的作用就为静止或匀速直线运动,即Newton第一第二定律。换言之,万有引力定律是在公理的基础上推导所得,因而不能称之为基本公理。


另外我们注意到,开普勒三定律是经验规律,是通过天文观测和数据计算得到的公式,他的正确性是可以肯定的。Newton的工作是利用了开普勒的公式,在自己的理论上加以运用并在一定的假设下进行推论的结果,因而也应该是经验公式,换言之,在开普勒所研究的五大行星的范围里是正确的,但到了范围之外就不正确了,所以,先驱者11”伽利略以及尤利西斯等探测器偏离按照万有引力定律计算的轨道,是很正常的,并不一定就是所谓“奇怪的力”作用的原因。也正因为此,Newton将引力万有化的假设也就不见得是正确的了。


由于当时人们的认识的局限性,肯定了绝对静止参考系的存在——地面参考系。在之前,没有人认识到重力(引力)的存在。因而,可以说在没有重力场的前提下,牛顿力学体系(牛顿第一第二定律;牛顿第三定律是力学体系定律,不受有没有重力场条件的限制。)才成立。在重力场的前提下,牛顿力学体系不成立。爱因斯坦已经说明了引力是对重力本质的错误认识,这一点也已经为大多数人所接受,而万有引力定律中显然是将重力解释为来源于引力。Newton提出万有引力也并没有对引力的属性作出清晰而明确的说明,且引力常数G的量纲也没有明确的物理意义,因而可以说,万有引力公式是数学而不是物理。


Newton的工作思维在其著作《自然哲学的数学原理》中可见一斑:我奉献这一作品,作为哲学的数学原理,因为哲学的全部责任似乎在于——从运动的现象去研究自然界中的力,然后从这些力去说明其他的现象。或者即是说,在Newton看来,力在自然界中起到了独一无二而又不可替代,且是最重要,决定性的作用。Newton忽略了物体本身属性。所有物体存在的方式一是其属性,二是关系。力是关系,但Newton过于看重这种关系,而忽略,又或者说否定了,重力作为物体本身属性的可能(我们知道,引力和热是紧密联系在一起的,这种关系也包含了两者之间的性质的关系,即有可能都是作为物质的属性存在的。)。



3,引力不是力:


一般认为的力,或是直接作用产生的(如弹力),或是通过场产生的(如电场,磁场)。引力的特殊之处在于,它显然属于后者,但理论上,


因而,


即,物体在引力场中的运动与其质量没有关系,纯属时空中的几何问题。这是一般场力所不具有的性质。


我们知道在重力场的中心都有一个特殊质量(不是引力质量)的天体,这个天体就是确定的参考系。没有特殊物体(整体天体)与一般物体区别的认识,就会产生引力场是由于其中心质量,质量又是产生引力场的根源,于是,质量又是产生引力的根源,引力还是力作用,而的存在又没有意义了。因而我们看到,引力若是一般意义上的力,而我们又必须承认场的存在时,就会有以上的矛盾。


迦利略认为匀速圆周运动也是一种惯性运动,这一点在一般的经典力学中是错误的。但是,现在我们可以认为引力不是力。那么伽利略的说法就可以认为是正确的了。从引力的几何性我们可以推断,即使是质量为零的物体在另一个有质量物体的引力场中其运动状态也会改变(从一般的角度来看),这一点是与安因斯坦所广义相对论符合的(即光在引力场中也会弯曲)。那么照这一假设进行推论。有初速度的物体在一个引力场中,受到了“引力”的作用,但是“引力“并不是力,因而根据牛顿三定律有物体将作匀速直线运动。但是,爱因斯坦的理论说明在一大块质量的物体周围,空间和时间将会发生弯曲。即是说,虽然是匀速圆周运动,但是直线的表征已经不同了,我们所观测到的直线运动变成了圆周运动。



4,结语:


Newton万有引力定律的正确性在目前看来是毋庸置疑的。在解决实际天文学问题时也是不可替代的工具(牛顿引力势)。但是,我们相信绝对真理是不存在的,有的只是更简洁的表达和更揭示本质的说法。Newton的万有引力一方面在其物理涵义上并不明晰,二是其推导过程并不严谨(预言地月距离的正确是建立在实验的范围在开普勒的公式的范围内),三是对于重力的本质的说明并不正确,对引力的本质没有做出解释,四是其理论的基础本就不允许重力场的存在。而在肯定爱因斯坦的理论的正确性的情况下,我们可以找到一种同样符合事实的解释,那便是,引力不是真正的力,引力场是时空的弯曲。