引力 未解开的谜

发布时间:2014-05-19 16:31 阅读次数:152

引力 未解开的谜

牛顿和爱因斯坦都曾潜心研究，但至今仍无人能完全破解

   万有引力到底是什么？毫不夸张地说，万有引力是物理学领域最大的课题。

万有引力是物体之间产生的相互作用，不管它们是由什么“材质”构成的，也不管它们多么小或者多么大，都会相互吸引。而且，不管它们之间有多少障碍物，相距就算有数亿光年之遥，万有引力依然存在。正是由于万有引力的存在，遍布宇宙空间的气体和尘埃才聚合成了星星、星系和大尺度结构。今天，它们依然在不断地聚合，深深影响着宇宙的未来形状。

有史以来最伟大的天才科学家牛顿和爱因斯坦都曾为了破解万有引力之谜而呕心沥血，潜心研究。万有引力是怎样产生的？是靠什么传递的？本质又是什么？

在21世纪的今天，依然有众多科学家在全力以赴地试图破解万有引力之谜。令人遗憾的是，迄今为止依然无人能破解它。万有引力，就像一团迷雾，充满了神奇色彩。让我们来“见识”一下万有引力吧。

在宇宙空间中，有两个质量为1千克的球（A和B），球心相距1米，它们之间的万有引力是多大呢？我们知道，牛（或牛顿，N）是表示力的大小的单位，1牛是能使1千克质量的物体产生1米/秒2加速度所需要的力。万有引力的大小也用牛表示。根据万有引力定律公式（见右页）的计算，相距1米、质量为1千克的A、B之间的万有引力为6.67384×10-11牛。

两个物体相距越近，它们之间的万有引力越大。因此，随着A与B的距离逐渐缩小，万有引力慢慢变大，它们靠近的速度也逐渐加快，大约26.7小时后，A和B终于撞在一起（假设A与B的直径极小，可以忽略不计。如果A和B的直径比较大的话，相撞所需时间就会缩短）。

如果A与B之间的距离保持不变，但是它们的质量都增大为2千克的话，结果将如何呢？研究表明，相撞所需时间大约为18.9小时。那么，A与B的质量保持1千克不变，它们之间的距离增大为2米的话，结果又是怎样呢？答案是：相撞所需时间大约为75.5小时。

所有物体之间都存在引力

17世纪英国最伟大的天才科学家艾萨克·牛顿（1642～1727）这样阐述万有引力：“任何具有质量的物体都是通过质量造成的万有引力才吸引在一起的”，并用万有引力定律明确了：万有引力不仅存在于地球与物体之间，还存在于任何物体之间。

英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许（1731～1810）最先精确测量了两个物体之间微弱的引力。他利用扭秤，精确测量了两个大小不同的铅球之间极其微弱的引力，证实了任何物体之间都存在引力。

亨利·卡文迪许

    利用扭秤精确测量了物体之间极其微小的引力。此外，卡文迪许还取得了一系列重大发现。他用酸与金属反应而发现了氢气，并发现氢气在氧气中燃烧可以生成水。他还比库仑早十几年发现了库仑定律（两个电荷之间的作用力与它们距离的平方成反比）。卡文迪许虽然身为贵族和大富翁，却性格孤僻，很少与外界往来。他长期深居独处，毕生致力于科学研究。

子弹星系团1E0657-556的图像。在可见光的图像上，叠加了X线的图像。红色为星系间气体、紫色表示计算出的暗物质分布。
 

不管两个物体相距多么遥远，它们之间都存在引力吗？

正如任何具有质量的物体之间都存在引力那样，太阳和地球之间也有相互作用的引力—尽管它们离得那么遥远，相距大约1.5亿公里。太阳的引力真的能传到无限遥远的地方吗？

地球、地球以外的行星及小天体与太阳之间都存在引力。研究认为，太阳系的最边缘是一个被称为奥尔特云的区域，距离太阳核心约有10万亿公里之远。该区域内由冰和岩石组成的小天体群同样受到太阳引力的影响。

可以肯定地说，在比10万亿公里更遥远的地方也存在着引力。位于银河中心的黑洞与太阳之间也存在引力。银河中心离太阳的距离大约为2.6万光年（1光年为9.46万亿公里）。

研究还认为，银河与其近邻仙女星系之间也存在引力—尽管它们相距大约230万光年，并将在40亿年后相撞。万有引力真是无处不在！

没有一种力能与万有引力抵消

为什么万有引力无处不在呢？在物理学中，除了万有引力，还有磁力、静电力等等。磁力和静电力都能产生相互吸引的力。具有磁性的物体的N极与S极相互吸引，带有正电荷的物体与带有负电荷的物体相互吸引。但是，磁力和静电力的引力并不能像万有引力那样一直传到很远的地方。这是因为磁力和静电力不仅有引力，同时还有与引力相反的斥力。

在宇宙空间里，带磁性或电性的物质无所不在。尽管磁力和静电力的引力也能传到很远的地方，但是与此同时，其斥力也能传到很远的地方。因此，引力和斥力在远处将相互抵消，不能发挥力的作用。

与此不同，物体之间的万有引力并不存在所谓的“逆万有引力”或“反万有引力”等斥力。万有引力之所以能传到无限远的地方，就是因为它没有斥力，不会相互抵消的缘故。

万有引力无处不在

    研究认为，奥尔特云区域是太阳系的边缘，存在于距离太阳约7.5万亿～15万亿公里的范围内。研究还认为，奥尔特云区域内布满了由冰和岩石构成的直径小于数十公里的小天体（图解的天体密度进行了夸张处理）。假设在距离太阳15万亿公里的地方，有一个由冰构成的直径1公里的小天体，则太阳与小天体之间的万有引力大约为0.31牛。星系之间也存在万有引力，从而使得星系相互吸引靠近。因万有引力而相互吸引的星系聚集为星系团或宇宙的大尺度结构等。

更多精彩图片和完整内容请阅览《科学世界》2014年第6期
点击文字或图片即可订阅全新杂志