引力为何与距离的平方成反比?平方反比有何特殊意义?
引力为何与距离的平方成反比?为什么离质量源越远引力就越小?平方反比有何特殊意义?
几个世纪以来,牛顿万有引力是描述引力最成功的理论。牛顿认为宇宙中的每一个质量物体都会互相施加一种神乎其神的力,这种力的大小与两个物体的质量成正比,与它们之间距离的平方成反比。牛顿万有引力定律告诉了我们:任何质量系统在引力作用下的行为。
那么引力为什么满足与距离平方反比的关系?首先看一下我们所处的太阳系。
太阳是太阳系中质量最大的天体,几乎所有已知的物体,从行星到小行星和大多数彗星都绕着太阳以圆形或椭圆形轨道运行。不管是圆形,还是椭圆形,它们有一个共同点:都是稳定的闭合轨道,这就意味着绕太阳运行的天体,在一个周期后就会回到与开始的相同的位置。
单从数学上来说,我们知道所有的力都是矢量,这意味着力有大小还有方向。以我们的太阳系为例,作用在每个天体上的力,其方向近似地朝向太阳的中心。
如果想让天体围绕太阳的轨道是闭合的,我们只有两个选择!一个是:有一个力遵循平方反比定律(引力就是这样);另一个是:有一个力随距离线性增加(弹簧就是这样)。其实平方反比和线性增加一样,没有任何特殊性,伯特兰定理就证明了在经典力学里要想形成稳定的闭合轨道,以上是唯一的两种可能性!而且伯特兰定理在广义相对论下并不成立,下文会说到。
所以根据伯特兰定理,引力会随着距离的增加可能会变强或变弱,但只有一种特定的方式是正确的,否则在经典力学下天体就不会有稳定的闭合轨道。
生命的存在需要有稳定的轨道和适中的温度,我们确实很幸运,因为这些是控制我们宇宙的法则!
而且确实有一些力,随着距离的增加力就会增加,强力就是一个很好的例子!甚至还有一种力,它没有方向且均匀地渗透到了整个空间,在任何地方都是恒定的,这就是暗能量!
广义相对论下,没有闭合的引力轨道
如果我们现在还说引力是一个与距离的平方成反比的力是不严谨的。因为在太阳系中有一个天体轨道显然不是闭合的,这就是广义相对论这个现代引力理论取代牛顿引力的原因!
水星的轨道在进动,或者说不闭合,这是第一个强烈暗示我们关于牛顿引力理论有缺陷的现象。花了大约半个世纪的时间,爱因斯坦的广义相对论才代替牛顿引力解决了这个问题。我们也从中认识到,引力并不完全遵循平方反比定律。当涉及到的距离很大,质量和能量很小的时候,牛顿的引力只不过是广义相对论的近似值。
广义相对论也提出了一大堆已经通过实验和观察得到证实的预测,包括光的引力弯曲,引力透镜,引力红移以及许多许多其他的预测。
其与引力强度相关的预测是:所有轨道上的天体严格来说并不遵循平方反比定律。
总结:距离的平方反比和真实的引力强度并没有直接的关联性
如果太阳的寿命是无限的,那么地球的轨道大约需要10^150年才会衰减到撞向太阳,虽然这种效应对我们没有任何影像。但这意味着一个真正稳定、闭合的轨道只是牛顿引力的幻影,一个在真实宇宙中并不存在的东西!
在一个受广义相对论支配的宇宙中,广义相对论是我们用来描述引力的最好的自然法则。在弱引力场中(当质量小而距离大)广义相对论可以被证明为牛顿引力,这就是平方反比定律与距离的由来!这也更加说明了平方反比定律跟引力并没有很强的关联性,也没有什么特殊性,毕竟它在某些情况下并不成立。
但如果要问:为什么广义相对论是支配宇宙的引力理论?我估计没人能回答这个问题。一个标准的逃避式回答「自然法则要求引力就是这样的!」。