时间: 2022-11-01 12:00:20 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 96次
两艘轮船 同向行驶时,会产生吸力。为什么呢?这是因为船的行驶,使两船之间的水流也随之前行,从而减少了对船的横向排斥力。于是,两艘船的内外侧水压之差,就是同向行驶的两艘船所获得的吸引力。
万有引力公式是牛顿根据前人的观测资料和经验总结,所归纳出来的。该公式的建立,统一地说明了各种不同天体之间的相互运动,从而使人类的认识得到了极大的提高。
然而,由于受到当时认识的局限性,牛顿并没有提出产生万有引力的物理机制。当时的万有引力是超距的,其既不需要介质,且受力的速度为无穷大。
到了二十世纪,当人类的认识超出了宏观范围,作为物理背景的空间效应便显现了出来。于是,人们认识到,原来经典力学的机械世界观,仅只是忽略了空间效应的一种理想的近似。
实际上,物质并不是实体,而仅只是由粒子高速运动所形成的封闭体系;空间也不是绝对的虚无,而是由不可再分的最小粒子构成的物理背景。
所以,狭义相对论、广义相对论和量子力学分别的高速领域、宇观领域和微观领域,关于空间效应的理论。
只不过,由于初次涉及上述三个领域的空间效应,这相应的三个理论都只是关于空间效应的初级理论,即是唯象型理论。它们只建立了新现象的外在联系,却并没有建立统一的物理机制,即没有提出由不可再分的最小粒子——量子构成的物理空间。
于是,仿照标准粒子模型,用光子和胶子的交换来分别说明电力和强相互作用力;量子力学提出,物质是通过交换引力子,来产生相互吸引力 的。不过,令人遗憾的是,几十年过去了,人们始终没有证实引力子的存在。
与量子力学的做法相反,广义相对论将万有引力归结为空间的几何弯曲。这实际上,只是一个关于空间效应的形象比喻,我们仍然不知道空间究竟为何物。
正是因为没有提出具体的量子空间,才使得量子力学的不连续性与广义相对论的连续空间相矛盾,从而无法使这两个理论获得统一。
实际上,类似水流在两艘船之间产生的水压差形成了吸引力,万有引力也只是量子空间在两个物体的内外侧形成的压力差。
因为,物质是由粒子高速运动所形成的封闭体系,其对外会产生热辐射 ,使两物体之间的量子空间具有更高的温度,从而降低了空间量子对物体内侧的有效碰撞 。
所以,万有引力的本质是两物体内外侧获得的空间量子的碰撞是不对称的,内侧的量子碰撞少于外侧的量子碰撞。由此形成的压力差,就是万有引力。
总之,产生万有引力的原因,是量子空间的对称性破缺。由于没有提出具体的量子空间,所以量子力学唯象地借用引力子的交换来说明产生万有引力的原因;而广义相对论则是借用抽象的几何弯曲来比喻空间对物体的运动所产生的影响。
这两个理论,虽然在一定的程度上解释了万有引力的产生,但是都具有很大的局限性,并没有形成统一的物理机制。
四大作用才是宇宙的规则
首先,“万物的秩序规则”并不是只有引力说了算。毕竟,在宇宙中存在四种作用力:强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,引力。
其中强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用的存在,保证了物质的存在,说白了,它们就是粘合剂,把基本粒子粘合起来,这才构成了物质。为此,科学家构建了粒子物理标准模型。其中费米子就是基本粒子,而玻色子则是传递这三种作用的粒子。
强相互作用和弱相互作用确保了,原子核的形成,胶子传递的强相互作用束缚住夸克在质子和中子等强子中,介子传递的强相互作用束缚住质子和中子在原子核中。弱相互作用确保了电子不会坠入到原子核中。电磁相互作用则是确保了原子之间可以相互独立,不至于太近,同时也不至于太远。
也就是说,没了这三种作用力,宇宙中的物质也不会存在。因此,更合理的说法应该是,四种相互作用才是“万物的秩序规则”。
引力
关于“引力”的解释,历来说法有很多,而且引力至今也是科学家在思考和研究的对象。我们可以先简单描述一下引力的作用,如果从宇宙的大尺度上来看,引力是星系的粘合剂,如果没有它们,宇宙中的物质会成一盘散沙。
正是因为引力有趋势物质相互靠近的作用。因此,它可以把宇宙中的一些距离相近的物质聚合到一起。大部分的星系就是由物质和暗物质提供的引力而聚集起来的。而太阳系,则是依靠着太阳的引力将8大行星、小行星等天体束缚在太阳系的势力范围内。
关于引力的解释,每个时代都不太一样,古希腊时代,亚里士多德就提出过一套。后来,牛顿也提出过一套,也就是万有引力定律。他认为引力是一种超距作用,说白了就是,如果太阳消失了,那所有在太阳系内的天体都会沿着轨道的切线方向飞出去。
不过,总体来说,大家对于“超距作用”并不是很认同。
后来,有两个理论都试图解释引力,一个是粒子物理标准模型,也就是刚才说到的统一了除了引力之外的三种作用的理论模型。这套理论,说白了就是依靠“粒子”、“场”的概念来解释这三种作用。因此,解释引力也势必要用到这些。
于是,科学家就假设了“引力子”的存在。但是很多问题不能光是拍脑袋来决定的,首先是要找到这种粒子,其次理论要能和实际相匹配。但是,这个“引力子”的相关理论,不但找到它的存在,并且这个引力理论和实际的情况误差很大很大,因此, 目前这个“引力子”理论并不是解释“引力”的主流理论 。它的准确程度和牛顿的万有引力定律都完全没法比。
广义相对论
另外一个解释引力本质的是 爱因斯坦的广义相对论 。在广义相对论当中,引力的本质是时空的扭曲。
就拿太阳系来说,太阳压弯了周围的时空,地球是沿着“时空”的“直线”(也被叫做测地线)在运动。如果从二维上来看,就是下面这样:
所以,科学家惠勒曾经概括过广义相对论,他是这么说的:
那这套理论和牛顿的万有引力比起来呢?
实际上,广义相对论是目前对引力本质的解释最为主流的理论,这就在于它特别的准确,比牛顿的万有引力还要准。科学家爱丁顿就曾经带队去验证广义相对论预言的光线在强引力场下的偏折情况,结果是爱因斯坦预言结果远比牛顿的万有引力计算出来的好。
不仅如此,还有很多实验都证明了广义相对论的准确性,而且广义相对论还预言了引力波,黑洞存在。
正是基于这些证据和预言,广义相对论才成为了目前解释引力的主流理论。
现代科学已知太空不是真空,在太空中有各种粒子的存在,这些存在于太空中的粒子在古希腊统称为“以太”,中国古代统称为“气”。
存在各种粒子的太空是一个流体的环境,物体在流体中运动会产生相互作用力。
相邻的两个物体在流体中同向运动相吸,逆向运动相斥。所以电子在物体中运动,会产生磁力现象,面对面电子同向的磁极相吸,电子逆向运动的磁极相斥,形成磁极同性相斥异性相吸的现象。
在星系中相邻的天体跟随星系的自转,做同向运动产生万有引力现象,万有引力不是物体固有的属性,而是由物体运动产生。星系越外围的天体公转线速度越快,万有引力G的数值越大。
星系的对边的天体做逆向运动产生万有斥力现象,万有斥力的存在为星系中心新诞生的物质,向星系外围运动提供动力。星系的万有斥力随着天体公转半径的增大而减小,不同于离心力。
自转的物体在流体中运动,在自转轨道面上会产生一个与运动方向垂直的偏向力,使物体趋向螺旋前进。自转的天体在这个偏向力的作用下,会产生螺旋前进运动轨迹,形成公转现象。公自转偏向力拟布了星系外围天体万有引力的不足,使松散的星系可以松而不散。在宇宙中大星系团在没有其他星系提供引力的情况下,也会产生公转现象,在宇宙中星系团的公转半径是有限的。
在流体环境中,两个自转方向相反赤道面重合的物体相吸力最大,两个自转方向相同赤道面重合的物体相斥力最大。所以在一个星系中的天体,万有引力会受到天体自转方向、与黄道面的距离、自转轴的倾斜角的影响。
引力子是推测,时空弯曲是理论、是学说,都是对客观物质世界按照现阶段的理解、认识的一种说法。
说强作用力是夸子之间的胶子所连接形成的,而力的定义是“物质之间的相互作用”,比如夸子之间的相互作用,它们之间的相互作用是胶子引起的;再如电磁之间的相互作用是有光子形成的,于是科学家认为可能也存在着引力子。光就存在于我们的生活中,我们知道它是真实存在着的,而微观粒子都具有波粒二象性,因此光是由光子组成的。而胶子,离我们现实太远,科学家是怎样引入了胶子的概念、根据是什么,我们一般人是不清楚的。我们知道光按照光速运行,而作为强作用力载体的胶子,由于强作用力要比电磁力大的多,是否胶子是转动的,它的转速要比光速也大的多?这就不知道了(光速不可超越是指宏观世界)。至于引力子,科学家也只是猜测。
相对论的时空弯曲,不仅是一个物质理论,更是一种哲学观点、理论。我们知道,客观世界只有一个对象,那就是物质,而力、时间、空间、能量、等概念,都是物质的具体体现、属性,是人类从不同角度对物质的描述与认识。那么,既然它们都归属于物质本身,因此它们之间必将存在着内外的联系,而人类认识物质本质的时候,也必须从这些内外的联系中才能去认识。相对论的时空观,正是把物质与力的关系用时空联系起来了,这符合马克思主义也即辩证唯物主义的根本观点,即运动的、联系的、系统的观点。
引力子,时空弯曲,其中引力子偏重于物理学,时空弯曲则偏重于哲学。引力子也好,时空弯曲也好,都是对物质存在与变化趋势的一种描述,物质、宇宙总的发展变化趋势是,物质由低密度向高密度发展变化。比如现实中太阳的核聚变,恒星向白矮星、中子星、黑洞的坍塌,黑洞吞噬、吸引周围恒星等,都是这种趋势的体现。这种趋势,还有可能在黑洞吞噬完周围恒星后,再相互吞噬而回到大爆炸的奇点。在这个总趋势中,物质内部(微观粒子内部)的强大的作用会更强(中子星是中子之间的相互结合力,黑洞可能是夸子之间的强作用力),也可能是夸子中的更小粒子间的结合力。在这个总趋势中,物质外部周围时空弯曲,即离得这个物体越近,其时空密度越大,使得它周围的物体,离得它越近受力越大。(首)
任何物质都在空间中存在,并且占有空间,任何物质对空间不产生任何作用和影响,因此空间不存在弯曲的理由!
可证空间无边无际
任何有质量物质都在空间之中,没有空间,物质就无法存在,即物质存在于空间之后或同时存在或空间和物质二者都永恒存在而不存在先后顺序,因此空间的存在与压力无关。爆炸必然与有质量物质、压力、空间有关,爆炸必然在空间之后产生,因此“大爆炸”不能形成空间。既然万事万物都在空间中产生,不能对空间产生任何影响,那么空间就是固有的、永恒存在的,空间只能是无边无际,或者体积是常量。
用反证法证明空间无边无际。假设空间有边界、体积是常量,宇宙“边界”以外就是“纯无”,必然“边界”这边有空间,那边无空间,有质量物质不能到无空间的那一边,由于我们的宇宙空间是连通的,也就是说,“边界”包围了我们的宇宙空间,即“纯无”在体积上包含了我们的宇宙,“纯无”是零空间、零体积,零体积包含常量体积将产生自相矛盾,这显然得出了荒唐的结果,这就证明假设是完全错误的,从而就证明了空间无边无际、体积不是常量。
引力的本质是最低能原理,这个原理是宇宙的基本定律,和物质不灭定律一样。时空扭曲不能说明问题,反而产生新的问题,滋生更多缪论,新的问题是,时空怎样扭曲。把引力本质视为最低能原理,不会产生新的问题,不会产生缪论。最低能原理是任何事物都有趋向稳定结构和状态。磁铁吸引在一起是为了更加稳定。温度高的物体把热量传给低温物体也是趋向稳定,氢气燃烧生成水等都是放出能量,达到能量最低能的稳定状态。物体间相互吸引就是放出能量为了达到更稳的结构或状态。地球人造卫星为什么绕地球转,因为人类在发射人造地球卫星时用能量把它推向了不稳定状态。它要放出能量恢复稳定状,不断绕地球转,最后势能动能耗尽,落回地球。达到稳定状态。宇宙万物都是如此。那来时空扭曲。无须时空扭曲。
宇宙万物的秩序规则——引力,产生的原理到底是什么?是时空弯曲还是引力子?
科学家们在长时间的观测和研究论证的过程中,逐渐将反映宇宙中物质变化和相互作用的影响因素,归结为4种基本作用力的功劳,即万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力,这4种基本作用力可以说是维持宇宙万物运行的秩序规则,并非只有引力一种。
对于电磁力来说,这是宇宙中大部分物质所具有的一种作用力,它广泛存在于微观领域,是使原子核与核外电子结合在一起的重要力量,其主要表现模式为电与磁的交互作用。由于从本质上来看,无论是摩擦力、还是光线,都属于电磁力作用的范畴,因此电磁力是我们观察和认知这个世界最重要的媒介。
对于强相互作用力来说,又被称为强核力。原子中质子带正电荷、电子带负电荷,而中子不带电荷,这就需要在原子核中,有一个力维持着质子和中子的结合,使它们能够牢固地聚集在一起,而强核力就提供了这样一种功能。强核力是4种基本作用力中作用最强,但力程最短的一种力。
对于弱相互作用力来说,又被称为弱核力。它有效保障了原子核外的电子不会在异性电荷相吸的作用下而坠入原子核内,同时又可以通过调控原子核内的质子状态,比如将上夸克演变为下夸克即质子变为中子,或者将下夸克演变了上夸克即中子变为质子,达到稳定原子核结构的目的,而推动这种演变的驱动力就是弱相互作用力,这种力的作用虽然较弱,但仍比引力要强一些。
对于引力来说,这是我们日常生活中接触也非常多的一种作用力,它表现在两个有质量的物体之间有相互吸引的趋势,这个在宏大的天体之间表现得比较突出,引力的大小与质量成正比,与距离成反比。引力是4种基本作用力中最弱的一员,同时却是力程最远的一个存在。
在发现4种基本的作用力之后,科学界有一个非常活跃的领域,那就是想方设法对这4种基本作用力进行统一,力图想用统一的模型将这4种力进行“融合”,这就是大统一理论的形成背景。截至目前,科学家们已经将强核力、弱核力和电磁力已经被实验证实可以统一成同一种相互作用,但是引力似乎非常特立独行,仍然没有与其它作用力进行统一的证据存在。
对于引力来说,这也是众多不同领域的科学家在很早以前就发现存在的一种力作用形式。比如,亚历士多德建立了一套不同质量的物体是以不同的速度下落的理论;伽利略推翻了他的结论,认为在忽略空气阻力的情况下,所有物体在下落时的规律相同;牛顿在发现地心引力之后进一步拓展形成万有引力定律,以数学公式的形式表达出物体之间引力的对应关系;之后爱因斯坦在狭义相对论的基础上,提出了广义相对论,对引力产生的原因进行了阐述,即有质量的物体对周围空间的曲率产生影响,使时空产生弯曲,其它物体则沿着弯曲后的曲线(测地线)作着最短路程的运动。
按照统一场的理论,4种基本作用力之所以能够形成并发挥作用,原因在于它们周围空间存在着对应的场,而这4种力场及4种作用力,都是由于在相对应的空间中物体的运动所引发的。对于目前还没有被统一场“融合”的引力,其究竟是何原因所产生,有两种主要的解释理论,其中第一个是试图利用粒子物理标准模型,因为其它3种力都已经找到了相对应的基本粒子,比如电磁力通过光子传递,强核力通过胶子传递,弱核力通过W和Z玻色子传递,因此就假设在引力场中,通过“引力子”的存在来传递引力的作用,而这个“引力子”属于玻色子,质量为零,运动速度为光速。但是经过这么多年的监测努力,“引力子”都没有找到它存在的任何证据。
广义相对论认为,如果宇宙空间中不存在物质,那么空间将是完全平坦的,可以用欧氏几何描述,而如果存在物质,那么物质就会使时空发生弯曲,就得用非欧几何进行描述,当然宇宙中是不可能不存在物质的。爱因斯坦的广义相对论,提出了引力产生的更深层次的原因,即时空的扭曲,并且已经被诸多实验来验证出空间扭曲和光线偏折的正确性,因此从目前来看,广义相对论是对引力的产生根源的主流观点,通过广义相对论,爱因斯坦预测了黑洞和引力波的存在,后来都被科学家们所证实。
但是,我们仍然要看到,广义相对论的时空扭曲,也是建立在质量基础之上,这与万有引力“同出一辙”,而针对质量为何会产生时空的扭曲,即这种质量效应产生的再深层次根源方面还无法进行论证,因此,即使广义相对论取得了巨大成绩,但与量子力学还是不相容,引力和电磁力相互统一的目标,始终像有一道鸿沟难以逾越一样。因此,如何实现引力量子化,将是统一4种基本作用力、从更深层次解释引力本质的终极目标,这将是科学家们下一步努力的方向。
我们每天能够脚踏实地头顶星空都是因为引力的存在,而牛顿是最早吧引力现象进行总结归纳的科学家
牛顿万有引力定律可以用来解释地球为何绕太阳公转,也能精确预测行星的轨道,甚至还能发现当时根本看不到的海王星,牛顿虽然能熟练应用万有引力定律老解决实际问题,但他确不知道引力究竟是如何产生的,只知道质量越大引力越大。
以牛顿为代表的经典力学一直“平平安安”度过了两个多世纪,科学家们还是不知道引力产生的原因,直到爱因斯坦广义相对论的出现才解决了这个难题。
广义相对论创造性地将我们的宇宙的时间和空间联系在了一起,时空一体化后的宇宙是充满“弹性”的,大质量天体会扭曲周围时空从而让小质量天体绕其旋转,当天体的质量大到一点程度时产生的引力会让光都飞不出去,这就是我们现在所熟知的黑洞,而如果两颗质量非常大的黑洞或者中子星互相撞击就会让整个宇宙时空发生“荡漾”,这种类似水波的现象被爱因斯坦称之为“引力波”
如今黑洞和引力波都已经被我们发现了,广义相对论可以说是十分正确的,但现代物理学两大支柱除了相对论还有量子力学,量子认为宇宙中的一切都只是基本粒子的交换引起的,引力也只是“引力子”的交换而已,宇宙中一共有62种基本粒子,我们现在已经找到了61种,唯一没有找到的就是引力子。
这样一来就出现了十分戏剧性的局面:相对论认为引力只是时空扭曲造成的几何跌落,量子力学认为引力是引力子交换产生的,两者因为引力有了不可调和的矛盾,更要命的是量子力学和相对论都是现代物理学的基础,它们的矛盾预示着有更完备的理论等着我们去建立。
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