物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(1)

在自由落体状态下,对重力作用的感觉会更直观。

《威利狼和哔哔鸟》这部卡通将地心引力作用表现得反复无常。只要有机会,威利狼就会和他的老对手哔哔鸟上演我追你跑的戏码。其中一个情节就是,每一次威利狼追着哔哔鸟跑出一个断崖,他总会继续再“跑”一段距离,只有当他意识到自己是在半空中时,他才会突然坠下。

不用说,在现实生活中引力并不像这样起作用。但当一个巨石或铁砧坠落到地面上时会发生什么?让我们从你的脚开始,一路研究到,哦,整个宇宙。取一把椅子来,因为这一时半会儿解释不清。

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(2)

地球引力场中的引力探测器B

引力把你的脚固定在地面上,因为行星的质量对你身体的质量产生引力。事实上,可以这么说,在宇宙中的任何两个物体之间都会产生一种吸引力:月亮、尘埃、威利狼。只要你发现物质,你就会发现重力。你永远不可能去到一个没有重力的行星,只有一颗质量或大或小的行星产生或大或小的引力。

往更大的规模上说,引力让天体之间相互吸引,形成按照轨道运转的天体系统,甚至使漂浮的空间粒子缓慢地聚集成越来越大的团簇,最终形成行星、恒星和星系。早在16世纪,牛顿就把引力定义为作用于所有物质的一种普遍力。根据他的理论,引力的精确表达式归因于质量和距离。两个物体相距越远,质量越小,引力越小。

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(3)

万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

补充小知识

在1687年,艾萨克·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。

— 艾萨克•牛顿,自然哲学的数学原理

如果两个质点的质量分别为m1、m2,并且在它们之间的距离为r,则它们之间的万有引力公式为:

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(4)

其中,G被称为引力常数(或万有引力常数),2014年国际科学技术数据委员会推荐的引力常数值是G=(6.67408±0.00031)×10-11m3/(kg·s2)。

注:只有当两个物体之间的距离远大于物体的几何尺寸时,物体可以近似看作质点,这个公式才是适用的。否则应当把物体分割为足够小的质点,两两之间计算引力,而后进行积分。

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(5)

简言之,这就是牛顿的万有引力定律。三个世纪以来它一直没有被后人推翻。然而,直到20世纪90年代,一位有着狂野发型,名字叫做阿尔伯特.爱因斯坦的物理学界踏足了这片领域,并且发表了广义相对论。

爱因斯坦认为,重力远不止是一种力,它是空间和时间在第四维度的曲线。如果有足够的质量,一个物体可以使原本是直的光束弯曲。天文学家称这种效应为引力透镜效应,它是探测不可直接观测的宇宙现象,如黑洞,的主要方法之一。同样,引力越小,时间越快,这种现象被称为引力时间膨胀。例如,轨道卫星上的时钟比地球表面的时钟稍快。

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(6)

虽然爱因斯坦的理论使引力研究随着现代科学的发展而快速发展,但我们仍然对引力知之甚少。一些科学家将引力归因于一种被称为引力子的假想粒子,在理论上,这种假想粒子使物体相互吸引。

最后,还有一个量子引力场领域,科学家们试图将广义相对论与量子理论协调起来。量子理论论述了宇宙如何在最小的亚原子水平上运作。这一领域帮助科学家们创造了粒子物理学的标准模型,该模型详细解释了宇宙的大部分内部运作理论,但有一个值得注意的例外。标准模型不能用来解释引力。

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(7)

因此,虽然量子理论和相对论共同解释了大部分可观测宇宙,但它们有时也相互矛盾,比如在研究黑洞理论或早期宇宙时。但这些都不足为奇,许多科学家仍然继续致力于一个统一理论。

无论我们最终采用什么理论,都很难夸大引力的重要性。它是把宇宙粘合在一起的胶水,但是它仍然给我们留下许多未解之谜。

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(8)

上述图片内容:

左:引力能够影响时间和空间。引力越小,时间越快。一个飞行器里的原子钟会比地面上的快一点点。

右:一个有足够质量的物体——比如一个行星或恒星——会产生一个足够弯曲空间的引力场。它可以使原本是直的光束弯曲。

下:四大基本力即自然界的4种基本力强核力(Strong nuclear force)、弱核力(weak nuclear force)、电磁力(electromagnetic force)以及引力(gravitation)

物体引力是怎么产生的(引力到底是什么)(9)

引力(英语:Gravitation或Gravity),是指具有质量的物体,包括行星、恒星、星系甚至是光,之间相互吸引的作用,也是物体重量的来源。

在地球上,地球对地面附近物体的万有引力赋予了物体的重量,并使物体落向地面。在宇宙中,引力让物质聚集而形成天体,同时也让天体之间相互吸引,形成按照轨道运转的天体系统。此外,月球和太阳对地球上海水的引力,形成了地球上的潮汐。宇宙中存在的原始气态物质通过引力开始聚结,形成恒星,并使恒星聚集成星系,因此引力是宇宙中的许多大规模结构的形成的原因。引力作用范围是无限的,尽管它对越远的物体的影响越弱。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. ROBERT LAMB- HOWSTUFFWORKS

如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

,