簡(jiǎn)論相對(duì)論后的新萬(wàn)有引力

曹燁

(上海智活信息科技發(fā)展有限公司,上海 201824)

簡(jiǎn)論相對(duì)論后的新萬(wàn)有引力

曹燁

(上海智活信息科技發(fā)展有限公司,上海 201824)

本文是我在留學(xué)歐洲時(shí)的一個(gè)小發(fā)現(xiàn)。萬(wàn)有引力定律把地面上物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律統(tǒng)一了起來(lái),對(duì)以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。萬(wàn)有引力定律經(jīng)過(guò)了牛頓,愛(ài)因斯坦,霍金時(shí)代的發(fā)展。然而,我們發(fā)現(xiàn)原來(lái)的萬(wàn)有引力定律有其局限性。經(jīng)過(guò)研究,萬(wàn)有引力可能是能量作用等慣性造成的。我們并對(duì)原有的引力公式推敲、修改,成為了新的引力公式。

引力能量慣性相對(duì)論量子力學(xué)

我是在中學(xué)階段學(xué)習(xí)牛頓理論，到大學(xué)自學(xué)相對(duì)論，和看霍金的一些書。在學(xué)習(xí)當(dāng)中產(chǎn)生了自己的一些體會(huì)，本文是我在留學(xué)歐洲時(shí)正遇愛(ài)因斯坦年然后觸景生情的一個(gè)小發(fā)現(xiàn)。

萬(wàn)有引力定律第一次解釋了(自然界中四種相互作用之一。萬(wàn)有引力是最弱的相互作用。)一種基本相互作用的規(guī)律，在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史上樹(shù)立了一座里程碑。

但當(dāng)人們還在為牛頓被一只蘋果砸到而發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的故事津津樂(lè)道時(shí)，我們卻發(fā)現(xiàn)這個(gè)定律是不完備的。本來(lái)引力的描述是，它大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比。質(zhì)量大小成了牛頓萬(wàn)有引力學(xué)說(shuō)的重點(diǎn)。在古代，亞里士多德建立了具有不同質(zhì)量的物體是以不同的速度下落的理論。到了科學(xué)革命時(shí)期，伽利略·伽利萊用試驗(yàn)推翻了這個(gè)理論－如果忽略空氣阻力，那么所有的物體都會(huì)以相同的速度落向地面。艾薩克·牛頓被蘋果砸到時(shí)發(fā)現(xiàn)地心引力，進(jìn)而引伸出萬(wàn)有引力定律(1687年)，是一個(gè)用來(lái)描述通常重力行為非常好的近例。萬(wàn)有引力顧名思義就是萬(wàn)事萬(wàn)物(物質(zhì)和能量)都具有引力。但有一般生活常識(shí)的人都知道，我們周圍質(zhì)量大的物體，例如建筑，高山，或大的金屬本身卻不產(chǎn)生任何引力。還有我們的宇宙之初可能是一個(gè)超質(zhì)量物質(zhì)導(dǎo)致的宇宙嗎，那只能是個(gè)能量體的演化。其實(shí)我們所處的環(huán)境和宇宙是相當(dāng)復(fù)雜的，很多理論和公式都是有條件約束的或許只是個(gè)近似，是相對(duì)的。

后來(lái)，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論發(fā)展了這一學(xué)說(shuō)。愛(ài)因斯坦先是發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能方程，使我們了解到質(zhì)量和能量的關(guān)系。并且愛(ài)因斯坦預(yù)言到，萬(wàn)有引力來(lái)源于存在質(zhì)量對(duì)時(shí)空的扭曲。但在經(jīng)典物理學(xué)中，質(zhì)量和能量還是有區(qū)別的。我們進(jìn)一步觀察，如果說(shuō)有一物質(zhì)能使自然空間扭曲，并且遠(yuǎn)距離的影響空間其它物質(zhì)，這一角色準(zhǔn)確的說(shuō)非能量不可。

原子是化學(xué)反應(yīng)的基本微粒。每一種元素至少有一種不穩(wěn)定的同位素，可以進(jìn)行放射性衰變。這直接導(dǎo)致核轉(zhuǎn)化，即原子核中的中子數(shù)或質(zhì)子數(shù)發(fā)生變化。電子占據(jù)一組穩(wěn)定的能級(jí)，或者稱為軌道。當(dāng)它們吸收和放出光子的時(shí)候，電子也可以在不同能級(jí)之間跳躍，此時(shí)吸收或放出光子的能量與能級(jí)之間的能量差相等。電子決定了一個(gè)元素的化學(xué)屬性，并且對(duì)原子的磁性有著很大的影響。1913年英國(guó)科學(xué)家莫色勒利用陰極射線撞擊金屬產(chǎn)生X射線，發(fā)現(xiàn)原子序越大，X射線的頻率就越高。

我們?cè)賮?lái)看宇宙中的情況，在宇宙中恒星是星體中占有主導(dǎo)地位的星體，在恒星上發(fā)生的核反應(yīng)是恒星輻射出巨大能量的源泉。在我們的太陽(yáng)系中，所有行星就是圍繞著太陽(yáng)這顆恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的。你們很容易就察覺(jué)到一般星體和恒星的區(qū)別決非只是在質(zhì)量上。況且質(zhì)量越大的恒星，壽命越短暫，主要是因?yàn)橘|(zhì)量越大的恒星核心的壓力也越高，造成燃燒氫的速度也越快。可以推算宇宙的中心存在這樣一種勢(shì)能，而非超質(zhì)量物質(zhì)。這就像宇宙的精神所在。有很多論點(diǎn)說(shuō)宇宙不存在中心，那么沒(méi)有中心的宇宙還能叫宇宙嗎。

德國(guó)天文學(xué)者開(kāi)普勒，在從1618年至1621年分三階段發(fā)表的著作《哥白尼天文學(xué)概要》里，最先提出術(shù)語(yǔ)“慣性”，拉丁語(yǔ)為“懶惰”的意思，與當(dāng)今的詮釋不太一樣。開(kāi)普勒以對(duì)于運(yùn)動(dòng)變化的抗拒來(lái)定義慣性，這仍舊是根據(jù)亞里斯多德的靜止?fàn)顟B(tài)為自然狀態(tài)的前提。一直要等到后來(lái)伽利略的研究與牛頓將靜止與運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一于同一原理，術(shù)語(yǔ)慣性才能應(yīng)用于當(dāng)今其所賦有的概念。

對(duì)于慣性認(rèn)識(shí)的一個(gè)重要進(jìn)展是能量與慣性的關(guān)系。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦于1905年在論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》里提出的狹義相對(duì)論，這是一個(gè)嶄新的物理理論，是建立于伽利略與牛頓研究出來(lái)的慣性與慣性參考系。它統(tǒng)一了力學(xué)理論和電磁學(xué)理論，帶來(lái)了時(shí)空觀的根本變革。愛(ài)因斯坦隨后證明質(zhì)能關(guān)系，E=mc2，一定的質(zhì)量對(duì)應(yīng)于一定的能量，反之一定的能量對(duì)應(yīng)一定的質(zhì)量。

在這里，能量包括了能量的各種形式，突破了上面把某一種形式的能量與慣性聯(lián)系起來(lái)的認(rèn)識(shí)。這樣，慣性是能量的屬性，能量具有慣性(質(zhì)量)，任何慣性質(zhì)量都應(yīng)歸因于能量。作為物理學(xué)基本概念和物質(zhì)的量的質(zhì)量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、動(dòng)量等概念要比質(zhì)量、力等概念要重要得多。

盡管這劃時(shí)代的理論實(shí)際地改變了許多牛頓概念，像質(zhì)量、能量、距離，那時(shí)后，愛(ài)因斯坦的慣性概念與牛頓的原本概念絲毫沒(méi)有任何差異。實(shí)際而言，整個(gè)理論是建立于牛頓的慣性定義。但這也使得狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理只能應(yīng)用于慣性參考系。在這種參考系里，不受外力的物體，必定保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

為了處理這局限，愛(ài)因斯坦于1916年發(fā)表論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》提出廣義相對(duì)論。這理論能夠應(yīng)用于非慣性參考系。但是，為了達(dá)到這目的，愛(ài)因斯坦發(fā)覺(jué)，他必需使用到彎曲時(shí)空的新概念，而不是傳統(tǒng)的牛頓力的概念，來(lái)重新定義幾個(gè)基礎(chǔ)概念(例如引力)。

因?yàn)檫@重新定義，愛(ài)因斯坦還以測(cè)地誤差重新定義了慣性的概念，這又引起一些微妙但重要的結(jié)果。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)處理大尺寸問(wèn)題時(shí)，不能使用與倚賴傳統(tǒng)牛頓慣性。幸運(yùn)地，對(duì)于足夠小的時(shí)空區(qū)域，狹義相對(duì)論仍舊適用，慣性的內(nèi)涵與工作仍舊與經(jīng)典模型相同。

狹義相對(duì)論的另一個(gè)深?yuàn)W的結(jié)果是，能量與質(zhì)量不是互不相干的物理屬性，而是可互相轉(zhuǎn)換的。這嶄新關(guān)系也給予慣性概念新的內(nèi)涵。狹義相對(duì)論的邏輯結(jié)果是，假若質(zhì)量遵守慣性原理，則能量必也遵守慣性原理。對(duì)于很多狀況，這理論大大地拓寬了慣性的定義，能夠應(yīng)用于物質(zhì)與能量。

我們知道，就是所有物體的慣性質(zhì)量(F=ma中的m)和被動(dòng)的引力質(zhì)量(引力場(chǎng)作用其上的質(zhì)量)均相等。愛(ài)因斯坦找到了這塊基石，并由此發(fā)展了廣義相對(duì)論，這實(shí)在是愛(ài)因斯坦獨(dú)具慧眼、超群絕倫的偉大貢獻(xiàn)。慣性這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)成為困擾現(xiàn)代物理學(xué)者的難題，雖然擁有偉人牛頓經(jīng)典理論。但在科技時(shí)代出現(xiàn)許許多多的現(xiàn)象用以前的理論是無(wú)法解釋的。使用曾經(jīng)的經(jīng)典無(wú)法解釋的。也是現(xiàn)代物理的奠基人愛(ài)因斯坦留個(gè)我們后人的問(wèn)題。愛(ài)因斯坦無(wú)法解釋慣性，所以無(wú)奈的把相對(duì)論分成廣義的和狹義的。他的人生一直被這個(gè)問(wèn)題困擾還是沒(méi)有答案。

如果從物理公式上推敲，我們參考牛頓的力學(xué)公式F=ma，和應(yīng)用愛(ài)因斯坦的公式E=mc2，我們可以修改萬(wàn)有引力公式為F萬(wàn)=G (E1E2)/R2。如果按現(xiàn)在這個(gè)公式來(lái)看，在物理學(xué)英語(yǔ)中GER可以是量子的意思，或許這可以和量子力學(xué)達(dá)成關(guān)系。如果從一般英語(yǔ)來(lái)看，又可以看成是英語(yǔ)Germany，可能上帝創(chuàng)造宇宙的意識(shí)就是想建立一個(gè)有德的民主國(guó)家吧。這樣修改后(在原有基礎(chǔ)上)的公式的

············表示形式從文字上翻譯就可以表現(xiàn)出信達(dá)雅的效果。萬(wàn)有引力可能是整個(gè)宇宙?zhèn)鬟f的一種屬性。這樣我們又可以假設(shè)光也具備一定的引力。由此我們又想到，以往在科學(xué)上的定律還有多少是不符合自然的。實(shí)際上，度規(guī)的可微階也許并沒(méi)有多少物理意義。我們總能用C∞度規(guī)來(lái)代表我們的測(cè)量。時(shí)空的模型完全可以認(rèn)為是C∞的。

如果我們還是用原來(lái)的理論考慮問(wèn)題，那肯定是要鬧大笑話的，我們的自然界也將變的非常的混亂。地球上的一切也不可能被制造出來(lái)，因?yàn)榇筚|(zhì)量產(chǎn)生大引力，我們制造的一切都會(huì)相互吸引而沒(méi)有結(jié)果的團(tuán)在一塊，這是多么可怕的場(chǎng)景啊。

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