力的传播需要介质吗?那宇宙当中的万有引力是如何传播的?

bdqnwqk4个月前问题17

力到底是什么?如今对我们来说,“力”这个概念似乎是很自然存在的,好像它就像是桌上的纸和笔一样实在。但是你想过没有,你看到过“力”吗?或者说,你摸得到力吗?

实际上,各种力是在牛顿时代所奠定的,牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》当中,定义了重力,向心力等等力学概念。

而他在论述这些力学概念时,如果你有仔细研读过这本书,就会发现,他其实都用到了实验和测量的方式。换句话说,他并不是直接看到了这些力,而是一些工具测量到了。

所以,发现没有?牛顿其实是基于“现象”来定义“力”的。这就会有一个问题,你定义这个叫做“力”,别人也可以取个名字,比如就叫做:作用。你别觉得这是在胡扯,实际上这样的事情在科学史上真的发生过好几回。

真的存在万有引力吗?就拿万有引力来说,对于牛顿来说,他先假设了绝对的空间和绝对的时间,具体来说就是时间是均匀流逝的,空间的尺度对于每个人都是一样的,并且他还认为时间和空间相互独立的。

在这样的前提假设下,他认为存在一种力叫做引力,引力是一种超距作用,可以完成瞬间地传递。当然这里并没有涉及到任何和介质有关事情。

但同样是看到“地球绕着太阳转”的现象,也就是说引力现象。爱因斯坦认为时间和空间并不是绝对的,而且它们还应该合起来对待,并称为时空。当然,这个假设并不是乱给出的。实际上,爱因斯坦是基于两条基本假设推导出的这个结果。

在这样的基础之上,爱因斯坦则认为并不存在“引力”,而引力现象的本质其实是时空的扭曲。比如,地球压弯了周围的时空,月球其实是沿着时空的测地线在运动,补充一点,这里的测地线其实类似于平面上的“直线”。

所以,你看同样的一个现象,其实不同的物理学家有不同的解决方案。那到底最后以谁为准呢?

这时候就要比拼一下谁的理论更接近现实,或者说谁的理论更准。目前来看,爱因斯坦的广义相对论要比牛顿的万有引力定律更精准一些。

所以,“万有引力”又是不存在的。当然,我们不保准,未来又有哪位大神跳出来搞出一套更厉害的理论。

用“作用”取代“力”到了上世纪50年代左右,“力”的概念再次被颠覆了。

科学家发现,按照牛顿的理论,力可以改变物体的状态。但是他们发现了新的物理学现象,在微观世界中,就出现了“力”改变了粒子的种类。比如:衰变现象,中子衰变成质子,电子,中微子。

这是不符合牛顿对于“力”的定义的,换句话说,“力”的概念已经不太够用了。后来,科学家利用加速器发现了大量的粒子,数下来大概有100多多种。

除此之外,科学家还发现了在宇宙中存在着四种基本作用,分别是强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,引力。

其中强相互作用和弱相互作用实际上是在原子核层面的“力”,引力是描述两个物体之间的吸引力,由广义相对论进行了诠释。电磁力则是我们日常生活最常见的,应该说是除了引力,我们日常接触的都是电磁力。比如:摩擦力,支持力等等本质上都是电磁力。

而且科学家还发现,物体之间的作用其实是通过“场”来实现的。比如,最常见的“场”其实就是磁场。

于是,科学家用“作用”替代了“力”,基于“粒子”、“作用”、“场”这三个物理学概念构建了一套的全新的理论,这套理论被我们称为粒子物理标准模型。

把四大作用力中的三个,以及粒子,还有场统一了起来。

可能你要问了,那到底什么是“场”,实际上,“场”是空间的一种属性。所以它和“介质”完全就是两码事了。

所以,在物理学中,力的传播,用如今的物理学理论来看,实际上是用“作用”替代了“力”,而传递作用的是“场”。

力的传播需要介质吗,那宇宙当中的万有引力是靠什么传播的呢?为什么?

传播不需要介质,但需要媒介。这是两个不同概念。所以这个问题本身是矛盾的。前半部分“力的传播需要介质吗”,可以回答不需要,比如太阳电磁辐射,就是电磁力的传播,在真空中是光速,为299792458m/s(米/秒),在任何介质中,这个速度都会变慢。在空气中慢一丢丢,一般忽略不计,但在水中,就只有2.25亿m/s,在酒精中为2.2亿m/s,在玻璃中为2亿m/s。

这些都是介质,比如电流需要在金属导线中传输,这就是介质。但力的传播并不需要这些介质,没有介质,传播得越顺畅越充分。但力的传播需要媒介,媒介是力本身一个组成部分,不是置身力以外的介质。所以后半部分问,“万有引力是靠什么传播的呢?”,与前面问题有些驴唇不对马嘴。

现代物理学认为,这个世界上存在着四种基本力,即强力、弱力、电磁力、万有引力。这四种力都需要传播媒介。强力的传播媒介是胶子,弱力的传播媒介是中间玻色子,电磁力的传播媒介是光子,引力的传播媒介是引力子。

万有引力是四种力中最弱的力。引力是弱力,是四种基本力里面最弱的一种力,只有强力的10^38分之一,也就是100万亿亿亿亿分之一;是电磁力的1万亿亿亿亿分之一;是弱力的亿亿亿亿分之一。因此引力虽然作用距离很长,但引力太弱了,小物体甚至测量不出来,且随着距离成指数衰减,到了一定距离就没有真正的影响力了。

引力大小遵循万有引力定律,表述为:F=GMm/r^2

式中,F表示引力大小值,G为引力常量,M和m为引力作用双方物体质量,r为作用物体之间质心距离。

这个定律说明,引力大小是与质量成正比的,与距离平方成反比的。引力常量G是两个1公斤物体质心相距一米的引力值,G=6.67259×10^-11N·m^2/kg^2,也就是约0.N·m^2/kg^2,这个有多弱?除非精密仪器,能够感受出来吗?可见当年卡文迪许的扭秤实验为了测得这个G想了多少办法。

但引力是长程力,理论上无限远,就比如一个人的引力也可以在真空中传递到无限远的。但由于引力是弱力,随着距离衰减很快,出了一定范围,就可以忽略不计了。

万有引力的本质是物质对时空的扰动。爱因斯坦在广义相对论中,揭示了引力的本质是质量对时空的扰动。任何物体只要有质量就会对时空发生扰动,就像一块石头丢进水里,不管多小,都会发生波动和涟漪,即便一个灰尘掉入理论上也会对水有扰动,只不过能以测量罢了。所以,对时空扰动影响大小是与物体质量成正比的,也是与距离平方成反比的。这与引力定律是一致的,而且这种扰动是以引力的表象出现的。

因为时空扰动是在物体四周形成时空旋涡或者叫陷阱,物体之间被这种陷阱影响,就会相互掉向对方陷阱,就像是相互拉扯,这就是万有引力的来源。而越大质量物体形成的时空旋涡或陷阱就越大,小质量物体经过大质量物体附近时,就会掉落到这个陷阱里,就像这个大物体把小物体吸引到了自己身上。

虽然时空扰动的涟漪会以引力波的方式传播到很远很远,但每一个物体作为一个引力源作用距离是有限的。

比如太阳的引力影响范围半径约1光年,地球的引力影响半径约150万千米,再远,这种影响就很微弱了。而宇宙中充满了各式各样的天体,出了这个天体的引力范围,很可能就靠近了另一个天体的引力范围。

综上所述,引力传递是有媒介的,这个媒介就是引力子,但引力子还只是量子力学的一种猜想,迄今并没有得到证明;而引力传递是不需要介质的,任何有质量的所谓“介质”实际上都是引力源。

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