牛顿万有引力定律是近现代物理最伟大的发现之一,在19世纪时人们普遍把经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学作为经典物理理论体系的3大支柱。如果将物理学截至目前的所有理论放在一起,万有引力的发现也将会与相对论和量子力学齐名,它有力推动了近现代物理学体系的健全和科学技术的发展,对人们深入探索宏观世界的发展演化规律提供了不可或缺的科学依据。
按照万有引力定律,任何有质量的物体之间都会产生相互的吸引作用,其数值大小与它们的质量乘积成正比,与相互之间的距离平方成反比,表达式为:F=G*M*m/r^2,其中G为万有引力常数。两个物体当距离逐渐加大时,按照此公式我们可以明显看出它们之间的万有引力会衰减得很厉害,那么,如果过程反过来,将两个物体无限靠近,它们之间的引力能否变为无穷大呢?
根据科学家们长期的研究发现,宇宙中存在着4种基本作用力,即强核力、弱核力、电磁力和引力,截至目前,前三种力都发现了力的传输介质,分别为胶子、W和Z玻色子、光子,这三种力也是微观世界中占据主导作用的力,并且通过科学家的努力,这三种力实现了统一。然而引力却比较特殊,截至目前,还没有发现引力的力传输介质,也没有将引力和其它三种力实现“大一统”。不过,随着广义相对论研究和应用的逐步深入,特别是引力波的发现,为我们进一步深入揭示引力的本质奠定了坚实的基础。
引力作为宇宙空间中最常见的一种力的作用形式,同时也是我们日常生活中无时无刻不在体验着的自然现象,它的一些基本规律已经被科学家们所掌握,比如力的作用效果在四种基本作用力中最小、具有远程性、传播速度为光速等等。就单从计算引力的大小来看,我们在计算两个物体之间的万有引力时,是从确定两个物体之间的质心出发,通过分别测算它们的质量以及质心之间的相互距离来实现的。然而,有质量的物体,其本身就会在空间中占据一定的体积(除了黑洞的奇点之外),两个物体相互靠近,也只是表面的贴近,实质上并未真正达到质心的无限靠近。
举个例子来说,我们将两个匀质的球体靠在一起,由于它们本身具有体积,也就是说质心与质心之间的距离,无法突破两个球体的半径之和,在这种情况下不可能使它们之间的万有引力达到无穷大。那么,我们直观感觉如果减少球体的半径,再相互靠近,是否可以使万有引力逐渐变大呢?实际上也不行,因为球体的体积与半径的立方成正比,球体是匀质的话,球体的质量与体积直接相关,也就是说球体的质量与半径立方成正比,而万有引力的大小仅与半径之和(两球体质心间的距离)的平方成反比。就也就意味着当我们减小球体的半径时,其质量减小的程度,要明显快于质心距离减小的程度,所以万有引力不增反降。
如果我们再将球体的尺度放小,使之变为原子甚至更小的微观粒子,那么把它们靠近,其引力是否就无穷大了,估计又要让你失望了。一方面,再小的微观粒子,其体积也不是无限小,我们几乎不可能实现两个微观粒子质心的重叠,它们之间总会有一定的距离,而且在微观层面,这些粒子的质量非常小,因此万有引力的数值也非常微弱。另外一方面,在微观层面,粒子间的相互作用力,是以强核力、弱核力以及电磁力占据主导的世界,拿强核力来说,两个微观粒子间的作用效果,在相同条件下,要比万有引力数值大10^39倍,引力几乎可以忽略不计。
除此之外,有些朋友或许还会想到另外一种方案,那就是提高物体的密度,使之在体积减小的情况下,质量并不会发生减小,这样可以保障物体间万有引力的提升。在这种想法之下,就会出现一个极端的情况,那就是使物体在空间上的体积完全压缩到质心之上,形成一个体积无限小的结构,那么在这样的情况下物体的半径就会趋向于无限小,两个这样的物体如果彼此靠近,万有引力就可能变得无限大。
说到这,大家估计都会想到一种天体结构,那就是黑洞。按照爱因斯坦广义相对论,有质量的物体会使周围的时空产生弯曲,当这种弯曲程序达到一定极限时,就会使光线都无法逃脱,只能沿着这种极度弯曲的测地线围绕黑洞的奇点运行。然而,即使是黑洞的事件视界之内,它所造成的时空弯曲程度也是有限度的,并非是无限曲率,因此掉入黑洞的物体,它所受到的引力也不可能达到无限大,只是无法再逃脱出来了而已。
综合以上的分析,我们可以看出,无论是在宏观世界还是微观世界,两个物体之间的引力不可能会达到无穷大的地步。特别是在微观领域,万有引力的作用效果并不明显,甚至可以忽略不计。
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