引力如何在真空中起作用?

bdqnwqk4个月前问题11

引力是指两个物体彼此并未接触,但却会相互吸引,产生相互接近的运动。其实,类似的现象,在我们的现实生活中并不罕见。

比如,两艘?同向行驶时,会产生吸引力?。其原因是两船内外侧的水压因为水的流向不同而产生差异,是外侧的水压大于内侧水压的缘故。

又比如,飞机之所以能够反抗重力,在蓝天上翱翔,是因为其机翼的形状上下不对称。当飞机快速运动时,会导致机翼上下空气分子的碰撞?是不对称的,从而使飞机✈️获得了向上的升力。

上述两个例子,都是借助于外部物理背景即借助于不同的空间进行间接的接触,来实现彼此的相互作用,并产生出相互的吸引力。

其实质,是由于两物体的存在,导致了物理背景(空间)的对称性破缺,即空间粒子(水分子和气体分子)对两物体的不对称碰撞。

对于万有引力来说,也是如此。也是由于两物质的存在,引起了物理背景的对称性破缺。只是,作为我们宇宙最为基本的物理背景的空间,与水和空气不同,是由不可再分的最小粒子即量子构成的。

因而,我们把宇宙的本底物理背景称为量子空间。该空间是我们宇宙最为基本的空间,任何物体的运动都会受到这一空间的影响与束缚。比如,任何物体的运动速度都无法达到光速,以及所有的微观粒子都具有波动性等。

因此,不存在绝对的真空。空无一物的空间仅只是一个哲学的概念,其与作为“有”的物质概念相对应。

在现实的物理世界中,不存在绝对的无,即真空不空。所谓真空,只是将我们已知的常见物质移除之后,所剩下的物理空间。

根据现代的物理认识,物质仅只是能量的聚集,确切地说是由构成空间粒子所形成的封闭体系。类似空气形成的龙卷风?️和海水产生的漩涡?。

因此,作为封闭体系的物质会对其外部的量子空间辐射☢️能量,使量子空间以该物质为中心,形成热的梯度分布。这就是我们通常所说的引力场。

于是,当两个物质同时并存时,两物质之间的量子空间会具有较高的温度,从而使两物质内外侧空间量子的碰撞是不对称的,使两物质外侧空间量子的碰撞多于它们内侧空间量子的碰撞。由此产生的空间压力差,就是万有引力。

总之,由于量子空间的存在以及物质的对外辐射热能,使两个物质的“相见”引起了量子空间的对称性破缺即空间量子对两物体产生了不对称的碰撞,从而使两物体相互接近以消除量子空间的不对称性。这就是万有引力在“真空”中形成的物理机制(原因)。

按照爱因斯坦相对论的解释,引力并不是真实存在的力,而是由于时空扭曲产生的空间梯度之力。我个人觉得空间扭曲就可以解释引力了。

在扭曲的空间内,某些地方空间密度较大,某些地方空间密度较小。空间密度从小到大的路径上,就存在着这样的空间梯度,表现为力,方向是从密度小指向密度大。这有点类似不同浓度的液体,由于浓度差而存在驱动力一样。

但是,量子力学似乎不太同意。量子力学一直在寻找一种叫做“引力子”的基本粒子,但是至今也没有找打。

详细的解释可参考我之前回答的问题:

引力对不同频率的光偏折作用如何?

先回答个人观点:光子只是在时空中做种惯性运动,光线沿着时空中的最短路径(测地线)前进。换成我们地球坐标系来说,引力对所有频率的光的偏折效应是相同的。

引力并不是一种实实在在的力,它是时空弯曲造成的一种几何效应。光沿着时空中最短路径前进的时候,我们在地球上,以自己的坐标看过去,呈现出偏折的感觉,按照地球人类的生活经验,认为那应该是引力的作用。

在我们经验中,地上有一块石头,桌子上的一个杯子,我们不用力去推它们,它们自己在那里是不会动起来的。这就是我们的日常经验常识形成的观念,力是使物体发生运动的原因。

我们拿在手里的一个苹果或者是一个石子,如果我们不松开手,它也不会掉下去,只有我们松手,它才会落向地面。我们从自己的生活经验中,很容易认为,苹果或者是石子,是受到了地球引力的作用,它们才落向地面。

然而真相并不如此。因为,我们用力去推桌子上的杯子让它动起来,我们的手跟杯子之间发生了接触,这个时候就存在了作用力和反作用力。

如果我们坚持认为石子下落是因为受到地球引力的作用,就必须回答,地球引力是如何通过超距离的方式把力传递给石子的?人类揭开引力传递的秘密用了200多年的时间。

第一阶段,应该说牛顿的贡献是很大的。

牛顿找到了引力和质量之间的对应关系,就是那个著名的万有引力的公式,那个平方反比定律。这个公式简单明了的告诉我们,引力跟质量的积成正比,跟距离的平方成反比。这就说明,引力是跟质量和空间有关系的。

其实牛顿同时还贡献了一个惯性定律F=ma,这个定律指出,惯性力的大小跟质量成正比。只是这个时候,还没有人意识到,惯性力跟引力之间的关系。

第二阶段,洛伦兹协变的发现。

麦克斯韦方程组的出现,让经典理论达到了一个史无前例的高潮。这个方程组统一了电磁力,并且成功预言了光是一种电磁波,可以说,非常的完美。然而其中一个不完美的地方就是,如果麦克斯韦方程组有解,就需要一个神秘的先决条件,即光速必须是恒定的常数。

这个时候,洛伦兹用一组协变关系,解决了这个问题。洛伦兹认为只要空间缩短,时间变慢,就能满足光速不变,就符合麦克斯韦方程组有解的要求。

第三阶段,广义相对论给出了引力的本质,引力是时空弯曲的几何效应。

爱因斯坦,从万有引力定律和惯性定律中找到了引力和惯性力的共同特点,它们都跟质量的大小成正比。同时,惯性力是没有施力物体的,由此,爱因斯坦猜想,引力可能也是没有施力物体的,这两种力在本质上的来源一样。爱因斯坦在此基础上建立了等效原理。

迈克尔孙莫雷实验无结果。正常来说,由于地球在公转轨道上的切向运动和径向运动有接近30千米/秒的速度差,按照我们的经验,哪怕是微小的变化,以这个干涉仪的精度,是可以测量出有干涉条纹移动的。然而事实是,什么变化都没有,也就是实验无结果。爱因斯坦在了解到了这个实验之后,结合麦克斯韦的理论预言,认为这个实验揭示了,真空中光速不变。并且独立推导出了跟洛伦兹一样的协变公式。

经过了几年艰苦的学习和努力,爱因斯坦,在等效原理和真空中光速不变原理的前提下,利用黎曼几何和张量分析作为数学工具,成功提出了广义相对论。至此,人类对于引力的理解上升到了一个新的高度,即:引力是时空弯曲的几何效应。

我们可以总结一下前面的分析,天体的存在使四维时空弯曲了,行星绕太阳运动,就是在弯曲时空中的惯性运动,行星轨道是四维时空中的测地线,根本就没有什么万有引力。伽利略说的-行星绕太阳运动是惯性运动(的想法)-是深刻而正确的。

由这个分析我们可以得到,光线通过大质量天体附近的时候,并不会受到天体的引力作用,而是沿着天体附近四维时空中的测地线(最短路径)前进,不论什么光(不同频率),只要从相同位置,相同入射角,掠过同一个天体,它们的偏折角度就是一样的。

为了让前面的说法看上去更科学一点,我们给出数学证明,仅供各位小伙伴参考。

参考上图,光线经过一大质量质点时发生偏折的情况。在这种情况下,假设光子的瞄准距离为b,质点质量为M,我们可以得到牛顿的偏转角公式为α=2GM/(bc^2),广义相对论修正为α=4GM/(bc^2)。

从最后得出的偏转角公式我们可以看出,光线偏折的角度,跟光自身的频率无关,跟天体的质量成正比,与天体的瞄准距离成反比。

谢谢各位小朋友的耐心阅读,欢迎关注老郭的账号,一起爱科学,一起涨姿势。

光子动质量与光频率成正比