为什么牛顿引力属于超距作用,而库仑力却是电荷之间通过电场以有限速度来传递的?
如果单纯从牛顿的万有引力定律公式来看,引力是一种超距作用,只要两个物体具有质量,它们之间无论相隔多远的距离,哪怕是一个在银河系中,还有一个在100多亿光年之外的河外星系中,它们都会瞬间产生引力作用。只是如果物体之间的距离很远,它们的引力作用很弱,趋近于零。对于这样的现象,牛顿本人也没有给出解释。
直到1916年,爱因斯坦正式发表广义相对论之后,这个问题才得到解决。爱因斯坦认为,有质量的物体弯曲了空间而产生引力作用,物体产生的引力场以光速向外传播,而不是以无穷大的速度向外传播。关于这一点,在2012年,我国科学家通过在日食期间研究地球的固体潮(地球在太阳和月球的潮汐力作用下会发生周期性形变),首次证明了引力场的传播速度正好就是光速。
关于引力不是超距作用而是以光速传播的更关键、更直接的证据,来自2016年首次直接探测到的引力波。广义相对论预言,由于物体会压弯时空,当两个物体相互绕行之时,就会引起时空曲率发生动态变化,并释放出以光速传播的引力波。理论上,地球绕太阳旋转、人在地球上走动都会产生引力波,只是这些普通物体的引力场太弱,无法使时空曲率发生显著的变化,故所产生的引力波几乎无法探测到。
然而,如果是引力场十分极端的黑洞,情况就会变得非常不同。当两个黑洞互相旋转时,它们强大的引力场互相扰动,并释放出超强的引力波。即便它们远在13亿光年之外,我们仍能在地球上探测到引力波。由于引力波被发现,引力以光速传播得到了完美的验证。
当然有人注意了这个问题,也恰恰指出了牛顿超距作用的悖谬之处。
有一个例子,如果太阳突然消失,失去引力的束缚,地球是否会像一列火车,朝太阳系边缘飞驰?牛顿认为,在太阳消失的瞬间地球就会飞走。而爱因斯坦认为,8分钟以后会飞走。
这就有一个区别,牛顿认为引力是超距作用的。而爱因斯坦认为引力是通过引力波传递的,引力波的速度是有限的,近似光速。
前段时间引力波的证实和发现,证明爱因斯坦是对的,这与电场中的库仑力传递并不违背。
库仑力究竟是什么力,如果没有这种力,宇宙会变成什么样子?
库仑力是一种静电场力。如果没有库仑定律,就不会有电场中散度高斯定律。麦克斯韦方程组也不会完美。库仑力消失会发生超新星爆炸。
库仑力就是两个电荷之间的作用力。这个作用力十分的奇妙,同性电荷的作用力是吸引力,异性电荷的作用力是排斥力。异性相吸是我们这个宇宙一个普遍规律,正负电荷的作用是如此,引申到雌雄花卉,雌雄动物,以致于男女情人都会有这种反应。甚至会影响到我们的思想,看到美女就高兴,看到情敌就愤怒。这种阴阳结合现象的根本原因是不是来自库仑力就不得而知了。
另外库仑力的公式和万有引力的公式很像,力的大小都与距离的平方成反比。我们的科学发现,原子就是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子构成,它们之间的作用力主要就是库仑力。科学家看到库仑力公式和引力公式十分相像,受引力起主要作用的行星、恒星系统的结构启发,建立的原子的模型就和行星系统的结构十分相像。都是中间一个大的核心,周围有小的物质环绕旋转。当然根据量子力学理论,推演出来的原子模型并不像行星系统那么简单,原子中的电子轨道也不像行星轨道那么清晰。但总的结构还是十分想象的。