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引力理論
1687年英國牛頓提出的理論
詳細內容
萬(wàn)有引力定律，（lawofgravitation）物體間相互作用的一條定律，1687年為牛頓所發(fā)現。任何物體之間都有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，r表示它們間的距離，則物體間相互吸引力為f=（gm1m2）/r2，g稱(chēng)為萬(wàn)有引力常數。萬(wàn)有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》一書(shū)中首先提出的。牛頓利用萬(wàn)有引力定律不僅說(shuō)明了行星運動(dòng)規律，而且還指出木星、土星的****圍繞行星也有同樣的運動(dòng)規律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽(yáng)的引力，從而解釋了月球運動(dòng)中早已發(fā)現的二均差、出差等。另外，他還解釋了慧星的運動(dòng)軌道和地球上的潮汐現象。根據萬(wàn)有引力定律成功地預言并發(fā)現了海王星。萬(wàn)有引力定律出現后，才正式把研究天體的運動(dòng)建立在力學(xué)理論的基礎上，從而創(chuàng )立了天體力學(xué)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大，地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。
理論發(fā)展
廣義相對論
愛(ài)因斯坦與引力理論
廣義相對論的基本內容是：三維空間和一維時(shí)間構成四維時(shí)空連續統；物理事件由四維時(shí)空連續統中的點(diǎn)表示；四維時(shí)空連續統的幾何性質(zhì)由四維黎曼幾何描述。空間的度規張量和曲率則可以通過(guò)引力場(chǎng)方程，由物質(zhì)的能量-動(dòng)量張量決定。引力場(chǎng)方程可寫(xiě)為：
式中，τ為原時(shí)，為聯(lián)絡(luò )。
廣義相對論克服了牛頓萬(wàn)有引力定律所遇到的困難，完滿(mǎn)地說(shuō)明水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)問(wèn)題；預言光線(xiàn)在引力場(chǎng)中會(huì )發(fā)生偏轉；強引力場(chǎng)中原子發(fā)出的光譜線(xiàn)和弱引力場(chǎng)中同種原子發(fā)出的同一光譜線(xiàn)相比，前者的光譜向紅端移動(dòng)。這些效應都在不同程度上得到觀(guān)測和實(shí)驗的證實(shí)（見(jiàn)廣義相對論的天文驗證）。
從二十年代起，人們借助于廣義相對論把觀(guān)測所及的宇宙作為一個(gè)整體來(lái)研究，預言它正在膨脹。這個(gè)預言也因河外星系譜線(xiàn)紅移和微波背景輻射的發(fā)現而得到支持（見(jiàn)宇宙學(xué)）。六十年代以來(lái)，隨著(zhù)類(lèi)星體、脈沖星等一系列新天體的發(fā)現，廣義相對論已日益成為現代天體物理學(xué)的重要理論基礎（見(jiàn)相對論天體物理學(xué)）。
廣義相對論雖然取得了很大的成就，但也還存在一些問(wèn)題。例如，已經(jīng)證明，在某些相當一般的條件下，總會(huì )出現物理上難以接受的奇性以及量子化后不可重整的困難。因此，幾十年來(lái)，不斷有人提出其他的引力理論。這些理論大體可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是平直空間中滿(mǎn)足洛倫茲協(xié)變的引力理論，一類(lèi)是彎曲空間中的度規型引力理論。經(jīng)過(guò)多方面的檢驗，除了極個(gè)別的例外，所有這些理論都一個(gè)一個(gè)地被淘汰了。然而，以局部慣性系的存在為前提的引力規范理論卻引起了廣泛的注意。這種理論，就時(shí)空的幾何性質(zhì)而言，不僅考慮了曲率，而且考慮了撓率；就物質(zhì)的特性而言，不僅考慮了能量、動(dòng)量，也考慮了自旋。它不僅和廣義相對論一樣，能經(jīng)受住目前實(shí)驗和觀(guān)測的檢驗，而且有可能克服奇性和重整化困難。在這個(gè)方向上，最近出現的超引力理論已經(jīng)展示了將四種基本相互作用統一起來(lái)的誘人前景。
引力理論的本質(zhì)
兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1、引力與其他基本力的關(guān)系，這里選擇了電磁力作為突破口。2、四種基本的力統一說(shuō)明。
再者物理宇宙書(shū)籍《變化》中其實(shí)宏觀(guān)的，尤其對相對論的理解要比量子力學(xué)的理解多的多。所以有必要不斷增加對量子力學(xué)的說(shuō)明。來(lái)佐證反復強調的觀(guān)點(diǎn)——愛(ài)氏廣義相對論可以和其他三種基本力融洽！
所以要討論的點(diǎn)非常多，牽涉的面也達到了史無(wú)前例的廣，這就是這個(gè)題目嚇人的原因。如果僅僅是題目嚇人，那也好啊。題目背后的東西是讓人類(lèi)絞盡腦汁都頭疼的問(wèn)題。一起來(lái)走進(jìn)這個(gè)神奇的世界吧！
要討論這一章的課題，是依據前面的知識理論支撐的。首先從哲學(xué)上，從一開(kāi)始就說(shuō)了，事物是普遍聯(lián)系的，聯(lián)系是有條件的。那么作為宇宙的四種基本力，怎么可能沒(méi)有相互聯(lián)系呢？不融洽呢？
可是為什么失敗了那么多次，沒(méi)有成功的統一四種基本力。每一次的失敗，都是為下一次成功做鋪墊。鋪墊多了，新的條件出現了，新的想法出現了，問(wèn)題就迎刃而解了。
引力理論
那么據此就很明顯了，四種基本力【引力，電磁力，強力，弱力】中最根本的是引力！
之前所有的理論都不曾論述四種基本力誰(shuí)是最重要的，最根本的。也就是說(shuō)在理論中引力是最根本的，最重要的力。
除了引力，其他三種力都已經(jīng)被統一在規范場(chǎng)論理論內了。但其實(shí)引力在量子領(lǐng)域依然對粒子是有作用的。只是通常在量子力學(xué)范圍內認為這種引力作用微乎其微，所以忽略不計。
這就是說(shuō)明了引力是宇宙中根本性的力，是一種時(shí)空性質(zhì)。還有比這個(gè)更廣的力嗎？沒(méi)有！也就是是其他三種力在時(shí)空范疇內，而時(shí)空性質(zhì)的根本體現就是引力。
從哲學(xué)角度來(lái)說(shuō)，在處理各種力的關(guān)系問(wèn)題的時(shí)候，往往要以引力為主要矛盾來(lái)分析各種現象和狀態(tài)。另外三種力作為次要矛盾來(lái)考慮。
從最新的研究作為切入點(diǎn)開(kāi)始。先來(lái)看看什么是引力波，引力又是如何被發(fā)現的。先來(lái)看看下面這張關(guān)于引力波的圖片說(shuō)明。
通過(guò)圖片知道了，引力波是一中時(shí)空漣漪。通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛(ài)因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念，即光速。
相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當中，因為牛頓的經(jīng)典理論假設物質(zhì)的相互作用傳播是速度無(wú)限的。
在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經(jīng)利用高級LIGO探測器，已經(jīng)首次探測到了來(lái)自于雙黑洞合并的引力波信號。
引力理論
為了詳細讓大家了解后面要給大家講述的理論，就有必要對引力波的具體探測工作有了解。
這個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段。
第一個(gè)階段：兩個(gè)黑洞的引力波頻率從30Hz開(kāi)始，這在引力波天文學(xué)中是比較低的頻段，但這意味著(zhù)黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點(diǎn)就是這兩個(gè)黑洞分別是30和36太陽(yáng)質(zhì)量。每個(gè)半徑大概是100公里左右，距離是1000公里左右。每秒種互相轉15圈。
第二個(gè)階段：到兩個(gè)黑洞合并的時(shí)候，引力波頻率達到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒轉50圈。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)黑洞已經(jīng)快成一體了，兩個(gè)黑洞“中心”的距離大概是200公里。
第三個(gè)階段：這個(gè)合并的黑洞繼續扭曲震蕩，形成一個(gè)新的，旋轉的黑洞。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是63個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。其中有三個(gè)左右的太陽(yáng)質(zhì)量在碰撞中消失，以引力波的形式向外擴散！
再回到《變化》引力的本源理論——引力是時(shí)空性質(zhì)。時(shí)空是能量的時(shí)空。所以在沒(méi)有大質(zhì)量天體擾動(dòng)的情況下，時(shí)空漣漪是很難被探測到的。雖然處于在時(shí)空中。有種“不識廬山真面目，只緣生在此山中”的感覺(jué)。
在這里再次強調引力不是時(shí)空彎曲產(chǎn)生的，引力是時(shí)空性質(zhì)——是時(shí)空產(chǎn)生引力！
彎曲是假象。因為時(shí)空背影是彎曲的，引力可以使得時(shí)空彎曲！但不是時(shí)空彎曲產(chǎn)生了引力！是時(shí)空能量，是時(shí)空產(chǎn)生了引力！這就是為什么只要是具有質(zhì)量的物體都具有引力。因為引力就是一種時(shí)空性質(zhì)，任何有質(zhì)量的物體無(wú)法脫離這樣的時(shí)空法則。從宏觀(guān)到量子層面都是這樣的。
所以就很明顯了，引力波是時(shí)空的漣漪，那么什么是引力場(chǎng)？時(shí)空就是引力場(chǎng)，很顯然這樣的引力場(chǎng)是全域場(chǎng)。這和現有的引力場(chǎng)定義有根本區別。
其實(shí)不難理解，引力是時(shí)空性質(zhì)，引力場(chǎng)自然也是時(shí)空性質(zhì)。它們的區別就是時(shí)空在線(xiàn)，面，體的不同表現，但都是出于同一時(shí)空性質(zhì)！
所以引力場(chǎng)的定義就是：引力場(chǎng)是一種全域性的時(shí)空性質(zhì)，其場(chǎng)強度和能量物質(zhì)分布及運動(dòng)速度成正比關(guān)系。
關(guān)鍵詞：全域性，物質(zhì)能量分布，運動(dòng)速度，正比關(guān)系。
所謂全域性是指從理論上來(lái)講引力場(chǎng)是整個(gè)時(shí)空的性質(zhì)，那么它的廣度就是時(shí)空所在處必然存在引力場(chǎng)。
物質(zhì)能量分布該怎么理解，在整個(gè)時(shí)空中物質(zhì)能量的分布是不均的，引力場(chǎng)強度自然就是不同的。雖然是理論上是全域性的場(chǎng)，也就是彌漫整個(gè)宇宙。但是從微分思維出發(fā)，由于這種的物質(zhì)能量的不均性，可以把全域場(chǎng)劃分為N個(gè)局域場(chǎng)。
但要清楚這種劃分是人為的，是為了更好的研究引力理論而設想的。
引力理論
再這里提醒大家，引力和引力場(chǎng)作用的傳遞速度都是光速。這個(gè)已經(jīng)在前面章節中論述過(guò)了。
很多人可能會(huì )問(wèn)，為什么不在引力場(chǎng)的定義的中加入“與距離平方成反比”這樣的描述，而在局部引力場(chǎng)中就加入了這樣的描述。上面說(shuō)了，引力場(chǎng)應該是全域場(chǎng)，是一種時(shí)空性質(zhì)，。只有當你去測量具體物體，具體天體，具體星團的引力的時(shí)候，可以區分他們的距離——即物體之間的距離。也就是至少有A和B兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)。
這樣把牛頓引力定理就引了出來(lái)：任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過(guò)連心線(xiàn)方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)組成和其間介質(zhì)種類(lèi)無(wú)關(guān)。
數學(xué)公式表述為：F= GMm/ r^2。G為引力常數，等于G=6.67×10?11 N·m2/kg2。
顯然牛頓的理論是一種“靜態(tài)”引力理論，是一種絕對時(shí)空理論。愛(ài)氏的廣義相對論是一種“動(dòng)態(tài)”的引力理論，是一種相對時(shí)空理論。這是愛(ài)氏先進(jìn)的地方。
也就是說(shuō)牛頓的引力理論有局限性，不適于高速運動(dòng)的物體。因為相對論效應，高度運動(dòng)的物體質(zhì)量會(huì )增大。如果牛頓認為質(zhì)量是不因運動(dòng)速度變化的，那么自然就不會(huì )認識到這點(diǎn)。
這也是為什么重新定義質(zhì)量。就是將質(zhì)量回歸能量的本質(zhì)。然后用能量來(lái)定義質(zhì)量。即：質(zhì)量是物體在相對時(shí)空中的一種物理屬性，物體所蘊含能量的多少是物體質(zhì)量的量度。
這樣就把質(zhì)量始終放在相對論時(shí)空下的質(zhì)量了。那么牛頓萬(wàn)有引力定理錯誤了嗎？其實(shí)不能說(shuō)錯誤了，是不夠究竟，和不準確。這在人類(lèi)認識宇宙世界過(guò)程中必須要經(jīng)歷的。
引力場(chǎng)，引力的本源都是時(shí)空。引力波就是時(shí)空的漣漪。在這里要提出電磁波的概念。引力波和電磁波是不同的。引力波是時(shí)空的漣漪，電磁波是電磁場(chǎng)產(chǎn)生的。他們的關(guān)系會(huì )在后面詳細剖析和論述。
上面給大家介紹了引力波被探測到的過(guò)程。黑洞在合并的過(guò)程會(huì )損失若干個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這些太陽(yáng)質(zhì)量以能量的形式震蕩開(kāi)來(lái)，被檢測到，即引力波。
就是說(shuō)時(shí)空也是能量時(shí)空，引力和引力場(chǎng)的本源就是能量時(shí)空。它是一種時(shí)空性質(zhì)。引力波就是時(shí)空的巨大變化引起的，不像電磁波那樣。
引力的傳播不需要介質(zhì)，也就是說(shuō)引力波的傳遞不需要介質(zhì)。時(shí)空是一種能量時(shí)空，能量的傳遞不需要介質(zhì)，這就是為什么引力和引力波的傳遞不需要介質(zhì)。但它們傳播的速度是光速，不是超光速！
引力理論
既然引力，引力波，引力場(chǎng)的本源都回歸于能量時(shí)空，那么所謂的引力子就是能量的最小單位——能量子。
所以說(shuō)引力子這個(gè)東西的探究需要謹慎，極有可能竹籃打水一場(chǎng)空。因為引力是時(shí)空性質(zhì)。時(shí)空是能量時(shí)空，所有的一切都是構成能量時(shí)空的物質(zhì)。
也就是說(shuō)所有的量子力學(xué)體系下的粒子也屬于能量。那么如此，愛(ài)氏的廣義相對論更應該可以與其他三種基本力融洽。也就是說(shuō)需要建立一個(gè)“能量場(chǎng)論。”這個(gè)還要再下一章詳細講。
最后再給大家強調這樣一點(diǎn)，其實(shí)既然所有的物質(zhì)東西都是能量。那么其實(shí)統一理論的現有描述已經(jīng)出來(lái)了。那就是能量守恒定律：能量既不會(huì )憑空產(chǎn)生，也不會(huì )憑空消失，只能從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，而且能量的形式也可以互相轉換。
在不同的領(lǐng)域有不同的表達，如下文：
1、保守力學(xué)系統
2、熱力學(xué)系統
能量表達為內能，熱量和功，能量守恒的表達形式是熱力學(xué)第一定律(熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機械能或其他能量互相轉換，但是在轉換過(guò)程中，能量的總值保持不變)。表達式為Q=△U+W.
2、相對論理論
4、流體力學(xué)
在流體力學(xué)中有一種邊界層表面效應，又稱(chēng)"伯努利效應“。是指流體速度加快時(shí)，物體與流體接觸的界面上的壓力會(huì )減小，反之壓力會(huì )增加，伯努利效應是流體力學(xué)中的能量守恒定律。伯努利因發(fā)現這一現象并成功解釋它而創(chuàng )立的流體力學(xué)。
5、電磁學(xué)
根據楞次定律，感應電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙原磁場(chǎng)磁通量的變化，這種阻礙的結果就使得電磁感應的過(guò)程中將其他形式的能量轉化為電能，感應電流形成回路，再將電能轉化為其他形式的能量。也就是說(shuō)，楞次定律所揭示的感應電流與原磁場(chǎng)的關(guān)系本質(zhì)仍然是能量轉化的關(guān)系，即能量守恒定律。
6、化學(xué)
質(zhì)量守恒定律：在化學(xué)反應前后，參加反應的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。這就叫做質(zhì)量守恒定律
諾特定理把對稱(chēng)性跟守恒量聯(lián)系起來(lái)了，非常有用。是指對于力學(xué)體系的每一個(gè)連續的對稱(chēng)變換，都有一個(gè)守恒量與之對應。對稱(chēng)變換是力學(xué)體系在某種變換下不變。
表述：對于每個(gè)局部作用下的可微對稱(chēng)性，存在一個(gè)對應的守恒流。
上述命題中的“對稱(chēng)性”一詞精確一點(diǎn)來(lái)說(shuō)是指物理定律在滿(mǎn)足某種技術(shù)要求的一維李群作用下所滿(mǎn)足的協(xié)變性。物理量的守恒定律通常用連續性方程表達。
定理的形式化命題僅從不變性條件就導出和一個(gè)守恒的物理量相應的流的表達式。該守恒量稱(chēng)為諾特荷，而該流稱(chēng)為諾特流。諾特流至多相差一個(gè)無(wú)散度向量場(chǎng)。
而且絕對零度不可達到，就說(shuō)明一切物體具有能量！這一點(diǎn)知識所深刻表達的內容是引力是永恒存在的，時(shí)空是永恒存在的。所以愛(ài)氏和霍金的宇宙有限論是不可靠的。
參考書(shū)目
柏格曼著(zhù)，周奇、郝蘋(píng)譯：《相對論引論》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,Introductionto the Theory ofRelativity,Butterworths,London,1958.)
溫伯格著(zhù)，鄒振隆譯：《引力和宇宙論》，科學(xué)出版社，北京，1979。(S. Weinberg,Gravitation andCosmology,John Wiley and Sons,New York,1972.)
Y.B.Zeldovich and I. D. Novikov,RelativisticAstrophysics Vol. I, Univ. of Chicago Press,Chicago,1971.
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