从万有引力到相对论再到量子力学，探索引力的本质

buffona

引力（英语：Gravitation、Gravity），又称重力相互作用（Gravitational Interactions），是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势，也是自然界的四大基本相互作用力之一，另外三种相互作用分别是电磁相互作用力、弱相互作用力及强相互作用力，万有引力是上述相互作用中作用力最微弱的，但是在超距上仍然具有吸引力的作用。在经典力学中，万有引力被认为来源于质量的力的作用。在广义相对论上，万有引力来源于存在质量对时空的扭曲，而不是一种力的作用。 在量子引力中，引力微子被假定为重力的传送媒介。

任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力。自然界中最普遍的力。简称引力，有时也称重力。两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1/1035，质子受地球的引力也只有它在一个不强的电场1000伏/米的电磁力的1/1010。因此研究粒子间的作用或粒子在电子显微镜和加速器中运动时，都不考虑万有引力的作用。一般物体之间的引力也是很小的，例如两个直径为1米的铁球，紧靠在一起时，引力也只有1.14×10-3牛顿，相当于0.03克的一小滴水的重量。但地球的质量很大，这两个铁球分别受到4×104牛顿的地球引力。所以研究物体在地球引力场中的运动时，通常都不考虑周围其他物体的引力。天体如太阳和地球的质量都很大，乘积就更大，巨大的引力就能使庞然大物绕太阳转动。引力就成了支配天体运动的唯一的一种力。恒星的形成，在高温状态下不弥散反而逐渐收缩，最后坍缩为白矮星、中子星和黑洞，也都是由于引力的作用，因此引力也是促使天体演化的重要因素。得偏离了原来的方向。


但是对为什么产生引力目前没有解释。近代物理（广义相对论）认为万有引力是由于时空弯曲而产生。众所周知，两点之间线段最短，这是在平面几何中的公理，这线段就是短程线。然而，在被弯曲的四维时空里，短程线也被弯曲了。因此受到引力作用，行星沿短程线向太阳靠近，由于质量巧合（包括速度巧合）的原因，又因为行星具有惯性（很多人理解成离心力，这是错的，离心力只是假象，宇宙中根本并不存在离心力，至少现在没有发现），从而周而复始的绕太阳按椭圆轨道公转。当质量不巧合时，会出现引力跳板现象，或撞向太阳。其中，构成天体系统的主要原因并不是引力，而是质量所引起的时空扭曲。


在地球上重力的吸引作用赋予物体重量并使它们向地面下落。此外，万有引力是太阳和地球等天体之所以存在的原因；没有万有引力天体将无法相互吸引形成天体系统，而我们所知的生命形式也将不会出现。万有引力同时也使地球和其他天体按照它们自身的轨道围绕太阳运转，月球按照自身的轨道围绕地球运转，形成潮汐，以及其他我们所观察到的各种各样的自然现象。
早在1679年，著名科学家牛顿提出了万有引力定律，认为天体间因有质量而有引力，并且发现了引力对一切物体的作用性质都是相同的。例如，当地球引力把任何一个物体吸引到地面时，其加速度是9．8米／秒’。很显然，牛顿所提出的引力，实际上就是重力。但是引力是如何实现的呢?它的作用机制是什么?万有引力定律不能解答。

引力与电力有相似之处，如二力均与物体间距离的平方成反比，与两物体所带力荷(引力是质量，电力是电荷)的乘积成正比。但二力的比例系数相差悬殊，电力远远大于引力。例如，在氢原子中，原子核与电子间的电吸引力是它们间引力的 1040倍!二力间还存在一些其他的差别，如(两物质的)同性电荷间存在相互排斥力，异性电荷间存在吸引力，而万有引力却总是吸引力。
1916年爱因斯坦广义相对论的问世，提出了崭新的引力场理论。他认为由引力造成的加速度，可以同由其他力造成的加速度区分开来。这个命题就是爱因斯坦的等价原理，即一个加速系统与一个引力场等效。我们设想，一个人在远离地球的太空中乘一架升降机上升，上升的加速度为9.8米／秒·平方，由于速度变化产生了阻力，这个人双脚会紧紧压在升降机的底板上，就像升降机停在地球表面上不动一样，但无法说明他所受到的是引力还是惯性。因此，牛顿所说的万有引力，在爱因斯坦看来，根本不是什么引力，而是时空的一种属性。在这种成曲线的四维时空连续体中，根本不需引力．天体是按自己应有的曲线轨道运行的。

1918年爱因斯坦根据引力场理论预言有引力波存在。他认为高速运动着(加速运动)的物质会辐射引力，引力波就是这种引力的载体，就像光波是电磁力的载体一样。引力波的速度与真空中的光速相同。例如，在太阳和地球之间就是靠引力波传递引力子而实现相互作用的。因此，引力波存在与否，是广义相对论的又一个关键性验证。引力波非常微弱。据计算，用一根长20米、直径1.6米、重500吨的圆棒，以28转／秒的转速绕中心转动，所产生的引力波功率只有2.2× 10的负29次方瓦；一次17000吨级核爆炸，在距中心10米处的引力波充其量也只有10的负16次方瓦／厘米·平方。
按照爱因斯坦的理论，自然界也应存在引力波，正如电荷的运动会产生电磁波一样，物体的运动也会产生引力波，引力波的传播速度为光速。这是电力与引力间又一个重要的相似特性。但只有宇宙中具有巨大质量(几倍于太阳质量)的运动天体才可能产生强烈的引力波。
最早动手检测引力波的是美国马里兰大学的物理学家韦伯博士。60年代他建立了世界上第一套引力波检测装置：一根长153厘米、直径61厘米、重约1.3吨的圆柱形铝棒——后人称之为韦伯杆，横搭在由两个铁柱子支着的钢丝上。铝杆质量虽大，钢丝却几乎无丝毫振动。韦伯推测，铝杆若能接收到来自太空的一束强引力波，就会摆动起来，但摆动很可能是很轻微的，他估计摆动幅度可能只有原子核直径(10的负15次方米)那么大，附近卡车开过等引起的地面震动均可能导致韦伯杆产生如此幅度的振动。为确认检测的确实是引力波，他还在 1000公里之外的芝加哥阿岗国家实验室安装了一个类似的仪器。他想，假如有一个引力波扫过整个太阳系的话，则两个仪器都会同时作出同样的反应。1969年6月，他宣布检测到了引力波。现在一般认为，韦伯的实验结果有误。
韦伯检测器工作在室温(27℃左右)环境，由于受分子热运动噪声的限制，最高灵敏度只能达10的负16次方量级，用来检测引力波尚不可能。
1974年美国人泰勒领导的实验小组，用射电望远镜对天空扫描，发现了离地球15000光年的一颗脉冲星发出的脉冲信号，又经过近4年的观测，间接证实了引力波的存在。脉冲星是急速旋转的中子星，它是一个内部停止了核燃烧而被压得极端紧密的恒星体。它与另一个中子星一起相互绕转，构成一个双星体系。按照爱因斯坦的理论，这个双星体系应能发射引力波，从而带走一些能量，使双星轨道慢慢缩小，周期慢慢变短。这些变化尽管都很微小，却可以从它们发出的脉冲信号到达地球的时间精确计算出来。4年的观测表明：双星轨道周期总共减少了万分之四秒。这个结果恰好与爱因斯坦的理论相符。这是人类第一次间接证实了引力波的存在。但是，这毕竟是间接证明，还不能由此得出引力波真实存在的结论。

70年代中期到80年代中期，出现了工作在低温条件下的第二代引力波检测器(韦伯检测器为第一代)。如美国斯坦福大学建成了低温引力波天线装置：天线是圆柱形的铝棒，长3米，重4.8吨，工作在液氮温区，灵敏度达5×10的负19次方，能检测出振幅为1.5×10的负16次方厘米即约千分之一原子核半径或者一百万亿分之一头发直径的振动。日本东京大学平川诺平教授的引力波检测工作也令人耳目一新。其众多实验均以频率为千赫量级的高频引力波为检测对象，这是与科学家迄今所知道的最强天体引力波源相对应的。平川则创制了一种共振低频引力检测器(方形或扭摆型天线)，明确以蟹状星云中的高速自转脉冲中子星NP0531+21为检测对象，该星自转周期为33毫秒，所发引力波到达地面的强度约为10的负27次方量级。平川的引力波检测器分别设立在东京和筑波科学城，经在低温条件下的长时间积累，灵敏度已达10的负25次方。

在进入20世纪80年代之后，前苏联科学家乌恰耶夫又提出了“中微子引力论”。
传统理论认为，中微子不带电荷，无静止质量，它以光速运动，几乎不与物质发生作用，可以顺利穿过地球。但是近年来发现中微子还是有静止质量的，不过其质量极小，约10的负32次方克。科学上发现的中微子实际上有三类：电子类、μ介子类和，介子类。例如，在太阳核聚变反应中辐射的是电子类中微子，它们在到达地球前某个时候就已经变成了μ介子类或，介子类中微子了。如果一类中微子能变成另一类，它们就必须具有一定的质量了。有质量就可能对物体造成冲力。乌恰耶夫以“中微子气”代替引力波，认为在充满宇宙间的中微子气中，中微子以亚光速进行着杂乱无章的运动，其中一部分总是要被天体吸收的，结果每一天体都获得一种“脉冲力”，此脉冲力大小等于其吸收的中微子质量与其速度乘积。在日地系统中，地球向日面承受的中微子流比背日面要弱，由此产生的脉冲力恰好抵消地球绕太阳运动的离心力。宇宙间各天体运动都可以如此解释。在这里根本不需要吸引之力。当然，这个理论只是一种探讨，并无实验事实作依据。不过由于中微子在宇宙演化过程中起着重要作用，对它的认识还有待进一步深化。因此，乌恰耶夫的说法或许是有一定道理的。那么，引力的本质到底是什么?是重力，引力波，还是中微子?
20世纪与万有引力相关的两大科学发现之一是，1967年剑桥大学的女硕士研究生贝尔，与其导师休伊特发现一颗脉冲双星。他们通过对这对脉冲双星的运动周期的精确测定证实，与爱因斯坦的广义相对论所预言的结果一致，这对脉冲双星的运动周期的变慢速度与基于广义相对论计算的引力辐射是一致的。
在经典物理学框架内，贝尔与休伊特的观测结果直接支持了爱因斯坦1916年发表的关于引力场理论的广义相对论，但是，引力的本质是什么，仍然是未知的。

到了20世纪80年代，理论物理学家们认识到，要想真正揭示引力的本质，必须将引力场量子化，即将引力理论与普朗克提出的量子理论融合。在这种设想之下，理论物理学家提出了近10种将引力量子化的理论，其中最引人注目的是美国加州大学的青年理论物理学家爱德华·威腾提出的“宇宙弦理论”。该理论用“弦”的概念替代通常的“粒子”概念，将粒子之间的相互作用用弦的振动描述，在此基础上。将引力的本质描述成“弦”的振动态。
虽然威腾的理论从物理学家角度看是一个很合理的理论，但是，要想在实验上观测到“弦”在目前看来根本不可能。因为在威腾的理论中“弦”的几何尺度只有10米～30米的尺度，近似所谓的“普朗克尺度”，所以到了20世纪末，理论物理学家们几乎失望地又回到老路上，引力是否可以量子化的难题仍然如故。
俗话讲．“柳暗花明又一村”，虽然引力量子化的各种努力目前看来仍然是徒劳的，但进入20世纪90年代，天文学的观测发现为人类重新认识引力打开了一扇大门。这就是继贝尔和休伊特的发现之后的可称上20世纪关于万有引力的第二大发现——宇宙暗物质与暗能量的存在。

由于暗物质是目前采用光学与射电天文望远镜都无法直接测知的物质，这里自然使物理学家们联想到，这类物质是不和电磁相互作用的传播载体——光子相互作用的。而我们知道，通常情况下光子是直接与物质发生相互作用。暗物质的这种奇特性质自然使物理学家们相信物质与光子的作用方式还有未知的特性，这些未知预示着引力相互作用与电磁相互作用在宇宙中某种神秘的尚未知的联系，这就为人类在大尺度上设想将引力与电磁力的统一提供了一个认识的入口。
进入21世纪，新的天文观测逐步证实，暗物质在宇宙中普遍存在。同时，又发现了与暗物质相伴的宇宙暗能量约占宇宙总质量超过70％，也就是说，我们可视的宇宙中的物质只有不到30％，其余大部分是暗物质。
自从探测暗物质的宇宙探测器发射到太空去，一旦人类找到暗物质为什么不与光子相互作用的实验证据，则人类离揭开引力之谜就为期不远了。

本文选自：今日头条

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科学家认为原子内有电磁力，力量较大，同时有万有引力，力量较弱。请问，可以探测引力大小吗？不能只是猜想。我认为电磁力就是引力，不再另有万有引力。万有引力不仅与质量与距离有关，更与核和电子内含能量有关，而能量不可测量，其产生的引力却是強大的，仅仅根据质量和距离计算引力当然是微乎其微。其实所谓电磁力正是引力。宏观世界正是无法测量天体内能多少才无法足够准确计算万有引力，导致结论认为引力不够维持系统的正常运转，就猜测另有暗物质。

yujuan

其结果跟我想的差不多。

JczaEZNv

人们在揭示引力本质的道路上走得太过辛苦了，时至今日，始终没有得到完整的答案，还引导出许多奇异理论，问题出在那里呢？个人观点认为，应该是出现在过于强化人的意识作用而造成固化思维，为什么会这样说呢？因为人的认识是在可见的宏观物质态下形成，自然就会用作用物质概念去沾贴解释不可见的微观作用在时空相距发生作用时非得要通过物质互换才能发生，事实上，微观粒子(正负粒子)是存在不需要互换物质就能发生的超距作用，这一作用也在宏观层面有所反咉，所从，从一开始，只要能够证明微观粒子作用确实存在无需互换物质就能发超距作用，牛顿万有引力作用发现之后，人们就可以少走弯路，不但可以认识牛顿万有引力的本质，甚至还可以认物质的能量，就是物质的运动力变化，而这种运动力的变化，就是电子运动变化透发正负粒子作用从静态转换成动态变化及其不平行衡在空间扩展的超距作用力，换而言之，微观正负粒之间的相距作用力是能够发生时空跨距作用，而且是不饱和的，静态时就是引力，动态发生时就是"光"，这就"光力"，这就是能量，这就是运动。

圆月小侠

磁力是万有引力的一种特殊形式！万有引力是正负电量差引起吸引。改变正负电排列方位，将表现出更大吸引力。此时万有引力常数将发生改变。