universal gravitation
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。引力是其中最弱的壹種,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壹個不強的電場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 。壹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 ,緊靠在壹起時 , 引力也只有2.83×10-4牛頓,相當於0.03克的壹小滴水的重量 。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壹的壹種力。恒星的形成,在高溫狀態下不彌散反而逐漸收縮,最後坍縮為白矮星、中子星和黑洞 , 也都是由於引力的作用,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壹些說明,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。
有關力學:
牛頓了解伽利略早先所發展出來的慣性觀念,他知道在不受外力作用的情形下,動者恒做等速度直線運動。他也知道若壹個運動中物體的速率或運動方向有了變化,其中必定有力的作用。當時的牛頓,受到天文學家哥白尼提出的「地球繞日的圓形軌道」的影響可能正對月亮的運行軌跡不是直線、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「壹物體要作圓周運動需要施壹個向中心的力量」的理論。由天文看,行星繞太陽運動也應需要壹向心的吸引力量,可是,這個力到底是什麽?
有關天文學:
西元1543年哥白尼提出天體運行論,以太陽為諸行星的運轉中心和地球自轉來解釋星象,對人類以自我為中心的宇宙觀作了壹個革命性的改變。其後克蔔勒分別在西元1609年提出行星運行第壹定律「運行的軌道為橢圓,太陽位在橢圓的壹焦點上」及第二定律「等面積定律;行星與太陽連線在相同的時間內,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」這三個定律揭示出幾個問題:
1. 軌道可以是圓的,也可以是橢圓的,什麽樣的作用方式,可以形成這樣的軌道運行呢?
2. 太陽處於橢圓壹焦點上,顯示行星是繞著太陽的,是什麽力量使它們繞著太陽轉呢?
3. 由周期與軌道半徑的關系(周期平方正比於軌道半徑三次方),這又意味著是什麽作用的方式所形的呢?
牛頓的偉大,就是看出了月亮是壹直朝著地球「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果。
掉落中的月球
牛頓又進壹步發展他的想法。他比較了掉落中的蘋果與掉落中的月亮,後來牛頓了解到,如果月亮沒有朝著地球掉落的話,它將會做直線運動,最後則會脫離繞地軌道,所以他認為月亮正繞著地球而掉落(月球可是很認真的掉唷)。因此,月亮必定掉落在那條沒受到外力時應該會走的下方。牛頓大膽地假設,月球在重力的吸引下,只是壹個繞著地球轉的拋體而已。至於月球的切線速度是怎麽來的,可能就是在宇宙大霹靂、創世之時就決定了,而月球的切線速度大小將會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單涵義
牛頓並不是發現了重力,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,每壹個物體都吸引著其他每壹個物體,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,即使妳被帶到宇宙的邊緣,地球的重力還是會作用到妳身上,雖然地球重力的作用可能會被妳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,每壹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」。
牛頓與萬有引力定律
牛頓第壹定律為:壹切物體總保持運速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態.
牛頓第壹定律又叫慣性定律.
牛頓第二定律為:物體的加速度跟作用力成正比,跟物體的質量成反比.
牛頓第三定律為:兩個物體間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同壹直線上.
萬有引力的形成原理
萬有引力是存在於任何物體之間的相互吸引力。兩個物體見的萬有引力,其大小和他們的質量的乘積成正比,和他們的距離成反比。
—《新華字典》
人們都知道,愛因斯坦是壹代物理大英雄,他在生活的幾十年中,同樣要思考這個本質問題,為什麽物質間會有萬有引力,特別是在他的晚年,進行了力場的統壹研究,盡管在物理科學的統壹研究上沒有過多成績,必定是做了壹定的工作,給後人的研究帶來壹定的啟示。特別是愛因斯坦的相對論,為了說明物質質量與能量間的關系,建立了質能方程,為了說明自然界的光速為極限速度,他假假設了自然界存在的光速度是極限速度,沒有比這個速度更大的速度,當物質速度疊加的時候,相對速度不會超過光速,並且速度越大,物質的質量越大,這個系統稱為愛因斯坦的狹義相對論;為了說明物質間存在萬有引力,愛因斯坦認為宇宙就相當於壹個網,壹個物質的存在,都會將這個網壓得變型,使物質周圍的時空發生彎曲,從而讓另壹個物質存在相對運動的趨勢,這個運動趨勢相當於存在的這個物體對它的作用力,這個稱為廣義相對論。
愛因斯坦的相對論,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的基本粒子,來進壹步說明,物質間存在萬有引力是壹個很簡單的問題,它變得非常輕松,理論上容易理解。因為自然界的存在本來就是非常簡單的事,是因為人類的社會屬性,讓人類變得與自然界不同,並且由於人類的思想、聽覺、文明、文化,長期過著人類的社會生活,讓人類忘記了自然界的***同語言,讓人類失去了與自然界直接交換全面光子信息的能力,而只交換頻率範圍非常窄的光子信息,讓人類自己走上了極端,是人類自己變得復雜,反倒對自然界不容易理解。
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,由於 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,是來自於左方的光子信息能量要多壹些,來自於 A 的右方光子信息能量要少壹些,宏觀表現為 B 對 A 有壹個作用力,這個作用力,是所有物質***有的,稱為萬有引力。
也可以說成是,由於 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 是壹種平衡狀態,有了 B 以後,光子信息的力場發生了變化,物體 A 的作用力,由於平衡變成了不平衡,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。