万有引力
universal gravitation
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,有时也称重力.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1／1035 ,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1／1010.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2.83×10-4牛顿,相当于0.03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4×104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.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 , 也都是由于引力的作用,因此引力也是促使天体演化的重要因素.
万有引力的发现过程
在谈论万有引力发现的事件时,对於当时天文学及力学的发展情形也得有一些说明,才能了解当时代科学的背景,以及它是如何影响刺激牛顿发现万有引力.
有关力学:
牛顿了解伽利略早先所发展出来的惯性观念,他知道在不受外力作用的情形下,动者恒做等速度直线运动.他也知道若一个运动中物体的速率或运动方向有了变化,其中必定有力的作用.当时的牛顿,受到天文学家哥白尼提出的「地球绕日的圆形轨道」的影响可能正对月亮的运行轨迹不是直线、是绕著地球的圆形轨道而深感困惑.但是他已知道,由海更士提出「一物体要作圆周运动需要施一个向中心的力量」的理论.由天文看,行星绕太阳运动也应需要一向心的吸引力量,可是,这个力到底是什么?
有关天文学:
西元1543年哥白尼提出天体运行论,以太阳为诸行星的运转中心和地球自转来解释星象,对人类以自我为中心的宇宙观作了一个革命性的改变.其后克卜勒分别在西元1609年提出行星运行第一定律「运行的轨道为椭圆,太阳位在椭圆的一焦点上」及第二定律「等面积定律；行星与太阳连线在相同的时间内,扫过的面积相同」及西元1619年提出的第三定律「周期定律；行星周期T的平方正比於轨道平均距离的立方」这三个定律揭示出几个问题:
1. 轨道可以是圆的,也可以是椭圆的,什么样的作用方式,可以形成这样的轨道运行呢?
2. 太阳处於椭圆一焦点上,显示行星是绕著太阳的,是什么力量使它们绕著太阳转呢?
3. 由周期与轨道半径的关系(周期平方正比於轨道半径三次方),这又意味著是什么作用的方式所形的呢?
牛顿的伟大,就是看出了月亮是一直朝著地球「掉落」的,道理就和苹果的掉落相同.他推论月亮与苹果掉落的原因,都是由於地球重力在拉的结果.
掉落中的月球
牛顿又进一步发展他的想法.他比较了掉落中的苹果与掉落中的月亮,后来牛顿了解到,如果月亮没有朝著地球掉落的话,它将会做直线运动,最后则会脱离绕地轨道,所以他认为月亮正绕著地球而掉落(月球可是很认真的掉唷).因此,月亮必定掉落在那条没受到外力时应该会走的下方.牛顿大胆地假设,月球在重力的吸引下,只是一个绕著地球转的抛体而已.至於月球的切线速度是怎么来的,可能就是在宇宙大霹雳、创世之时就决定了,而月球的切线速度大小将会决定它绕地球的轨道是圆形、椭圆形、抛物线、双曲线或是撞上地球.
牛顿的万有引力之简单涵义
牛顿并不是发现了重力,他是发现重力是「万有」的.每个物体都会吸引其他物体,而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关.牛顿的万有引力定律说明,每一个物体都吸引著其他每一个物体,而两个物体间的引力大小,正比於这它们的质量,会随著两物体中心连线距离的平方而递减.牛顿为了证明只有球形体可把「球的总质量集中到球的质心点」来代表整个球的万有引力作用的总效果而发展了微积分.然而不管距离地球多远,地球的重力永远不会变成零,即使你被带到宇宙的边缘,地球的重力还是会作用到你身上,虽然地球重力的作用可能会被你附近质量巨大的物体所掩盖,但它还是存在.不管是多小还是多远,每一个物体都会受到重力作用,而且遍布整个太空,正如我们所说的「万有」.
牛顿与万有引力定律
牛顿第一定律为:一切物体总保持运速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态.
牛顿第一定律又叫惯性定律.
牛顿第二定律为:物体的加速度跟作用力成正比,跟物体的质量成反比.
牛顿第三定律为:两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一直线上.
万有引力的形成原理
万有引力是存在于任何物体之间的相互吸引力.两个物体见的万有引力,其大小和他们的质量的乘积成正比,和他们的距离成反比.
—《新华字典》
人们都知道,爱因斯坦是一代物理大英雄,他在生活的几十年中,同样要思考这个本质问题,为什么物质间会有万有引力,特别是在他的晚年,进行了力场的统一研究,尽管在物理科学的统一研究上没有过多成绩,必定是做了一定的工作,给后人的研究带来一定的启示.特别是爱因斯坦的相对论,为了说明物质质量与能量间的关系,建立了质能方程,为了说明自然界的光速为极限速度,他假假设了自然界存在的光速度是极限速度,没有比这个速度更大的速度,当物质速度叠加的时候,相对速度不会超过光速,并且速度越大,物质的质量越大,这个系统称为爱因斯坦的狭义相对论；为了说明物质间存在万有引力,爱因斯坦认为宇宙就相当于一个网,一个物质的存在,都会将这个网压得变型,使物质周围的时空发生弯曲,从而让另一个物质存在相对运动的趋势,这个运动趋势相当于存在的这个物体对它的作用力,这个称为广义相对论.
爱因斯坦的相对论,非常高深,能够听明明白的人很少,能够理解的人更是少之甚少.今天我们用光子是物质的基本粒子,来进一步说明,物质间存在万有引力是一个很简单的问题,它变得非常轻松,理论上容易理解.因为自然界的存在本来就是非常简单的事,是因为人类的社会属性,让人类变得与自然界不同,并且由于人类的思想、听觉、文明、文化,长期过着人类的社会生活,让人类忘记了自然界的共同语言,让人类失去了与自然界直接交换全面光子信息的能力,而只交换频率范围非常窄的光子信息,让人类自己走上了极端,是人类自己变得复杂,反倒对自然界不容易理解.
我们知道,由光子是物质的基本粒子来看,物质的构成本身没有意义,如果物质不能够与环境中的其它光子信息相互作用,它就不能将自己的能量、存在形式、表达给自然界,自己就是以纯暗物质的形式存在,尽管自己的寿命表现为无限长久,但是对环境、对自己没有意义,只有它不断与环境的其它光子信息相互作用光子能量,才能将自己的能量、质量表现出来,自己的光子信息才能变化,自己才能由生长到死亡,才能有自己存在的意义；这就是说任何物质,只要它存在,它就会不断地与环境中的其它光子信息相互作用,这样,物质的存在,各种作用力的存在,事实上,是通过自己周围的光子信息场完成的.
如图所示,物质 A 存在,是物质 A 不断与环境作用光子信息能量,而表现自己的质量,当物质 B 存在的时候,由于 B 也要不断与环境的光子信息相互作用,这 B 就不同程度地影响了 A 周围的光子信息内容,从宏观的角度来看,是 B 挡住了来自 A 周围的光子信息,改变了 A 周围的光子信息场,从大的方面来看,是来自于左方的光子信息能量要多一些,来自于 A 的右方光子信息能量要少一些,宏观表现为 B 对 A 有一个作用力,这个作用力,是所有物质共有的,称为万有引力.
也可以说成是,由于 B 的存在,导致了 A 周围的光子信息力场的形状发生了变化,这个力场的形状发生了变化,本来没有 B 的时候,物体 A 是一种平衡状态,有了 B 以后,光子信息的力场发生了变化,物体 A 的作用力,由于平衡变成了不平衡,人们自然会说,这是物体 B 存在的结果,是物体 B 对 A 的作用力.