万有引力和电荷间的作用力有没有关系?为什么两个公式如此相似?
万有引力和电荷间的作用力有关系,两个公式不仅相似,万有引力也是强核力、弱核力和电磁力三种力像绳索一样编织而成!
万有引力和电荷作用力是人类发现的自然界中最基本的四大作用力之中的两种。万有引力主要表现在宇宙宏观世界天体的运动规律。电荷作用力主要表现在支配物体的结构的组成。由此看出一个主要作用在大质量长距离方面。另一个主要作用在原子之间的较短程的距离方面。在原子之间引力几乎可以忽略不计。而在天体之间基本都是中性物体,起作用的主要是引力。
万有引力公式和电荷作用力公式很相像。都是自然界作用力的总结,形式相象自然有其内在的道理。首先说正比部分,正比部分揭示了自然界两个物体作用,产生有效作用的物质越多,作用力越大。再说反比部分,两个公式都是距离越远作用力越小。而且是和距离的平方成反比。随距离的加长衰减得很快。这是自然界最基本的规律,至于为什么,不好解释。但是这样作用的结果却产生了一个共同的现象。天体运动和原子内的电子运动都可以看成大致是一种椭圆轨道运动的轨迹。原子模型和行星模型非常相像,这大概就是两种作用力公式相像的原因吧。
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