漫谈万有引力

牛顿（Newton）的万有引力认为，宇宙间任何两个物质间存在着相互作用，引力的大小和二者的质量的乘积成正比，与二者间的距离的平方成反比，引力的方向指向二者的中心。如果假设二物质的质量分别为Ｍ 1、Ｍ 2，距离为Ｒ，则万有引力的表达式为，F=G·M1M2/R^2

G=6.67x10^－11 N·m² /kg²

其中G为引力常数(Gravitational constant)。牛顿的万有引力发表于1687年,在牛顿之前,有几位杰出的科学家对天文现象作了大量的观测和研究,积累了丰富的资料.首先,亚里士多德(Aristotle)在前辈思想的基础上建立了以地球为中心的地心说的宇宙模型,因为该学说符合了教会的教义,所以一直统治了人类的思想意识差不多一千多年,直至15世纪的哥白尼的时代为止.尼古拉·哥白尼(Nicolas Copernicus)系波兰的天文学家,在1543年发表了《天体运行论》,提出了以太阳为中心的日心说.该学说是科学史上的一次革命,开创了科学宇宙观的新纪元,从此,自然科学就挣脱了神学的桎梏. 伽利略(Galileo)也支持日心学说,他在1632年发表了《关于托勒密与哥白尼两大世界也体系的对话》一书,进一步宣传日心学说.德国的科学家开普勒(Kepler)通过进一步的观察和分析,在1619年发表了行星运动的三定律. 后来,牛顿根据开普的三定律推导出了万有引力定律.万有引力定律的发现第一次从天体运动的方面发现了宇宙间普遍存在的基本相互作用,而且解释了众多的天文现象,令当时的人们对牛顿印象颇深.虽然万有引力定律在天文学方面取得巨大的成功,但它至少在三个方面是无法解释的.

一是万有引力产生的原因,即其本质的问题.宇宙间任何两个物质为什么会产生引力作用呢?牛顿也无法说明,他自己就承认〝直到目前,我以重力来说明天体和海洋现象,但我还不能说明重力的原因〞.莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz)认为,万有引力是一种说不清道不明〝隐秘的质〞.牛顿无法解释,最后他就像在辩论会上理屈词穷般竟然这样解释万有引力,上帝以一种完全不属于人类的方式,一种完全不属于物质的方式,一种我们绝对不可知的方式行事,就像盲人对颜色毫无概念一样,我们对全能的上帝感知和理解一切事物的方式一无所知…我们能知道他的属性,但对任何事物的本质却一无所知…我们无法运用感官或任何思维反映作用获知它们的内在本质,而对上帝的本质更是一无所知.以现在的眼光来看,把不能解释的事物推给上帝,是无法令人信服的.

二是万有引力的超距作用.牛顿在他的万有引力定律中,把相距很远的两个物体来研究,而不考虑二者相互作用的传递媒质,也不考虑从一方施力到另一方受力所需的时间.这是一种所谓的超距作用.我们可以举例来说明,假如我们从高处掷下一块石头,石头就会在地球的引力作用下作自由落体运动.石头为什么会下落呢?如果石头和地球之间没有受到一种中介媒质的作用,而是受到一种所谓的超距作用,是没有说服力的.爱因斯坦(Einstein)认为,作用于石头和地球之间的中介媒质是一种称为引力子的物质.引力子是人们假想出来的物质,因为它至今无法在实验室中观察得到.如果我们仔细研究引力子的特点，就会发现引力子传递引力的方向指向有质量物质的中心，也就是说，引力子有向有质量物质中心运动的趋势．爱因斯坦认为，一个静质量为零的粒子，在任一惯性系中都只能以光速运动，永远不会停止．所以我们可以认为引力传递的速度为光速．可是引力子为什么具有这种性质呢？

三是万有引力违背了能量守恒定律．能量守恒定律告诉我们，宇宙间的能量既不会凭空产生也不会凭空消失，它只能从一种能量形式转化为另一种能量形式．万有引力是怎样违背能量守恒定律的呢？我们可以举例说明．

Ⅰ，物质的能量凭空产生．假如宇宙间存在两个相距一定距离的有质量的物质，我们令二物质相互靠近，则两物质在引力的作用下两物质的速度就会越来越大，所以其动能就会越来越大，从而两物质的总机械能就会增加．我们可以说，物质增加的能量来自引力的势能，但在万有引力的本质无法解释的情况下，我们就可以认为，在此,物质能量是凭空产生的，这就违背了能量守恒定律．

Ⅱ，流星能量的增加．地球外的小行星在接近地球时，受到地球引力的作用，改变其原有的轨道，进入地球的大气层，成为流星，在此过程中，其指向地球的速度增大，所以其动能也是增大的．我们可以认为流星增加的能量来地球的引力，但在万有引力的本质尚未弄清的情况下，我们是认为这是违背能量守恒定律的．

Ⅲ，地球的内能．地球自诞生之日起，无时无刻向宇宙的空间释放着内能，其主要的表现形式为地震、火山爆发、地热和地质运动等。若单独研究悬浮于宇宙中的地球，它所能接受的能量来自太阳的辐射和其它宇宙的辐射。但这些能量仅仅能维持地球地表的温度，远远不能满足地球向宇宙空间释放的能量。地球的内能如炽热的岩浆所具的热能，是地球内部的岩石受到引力的挤压而变为熔融的状态，所以我们可以认为地球的内能系引力提供的，那么引力就凭空创造了能量，违背了能量守恒定律。

Ⅳ，大洋的潮汐作用。我们知道，地球表面的水膜受到月球和太阳的引力作用，同时加上三者的相对运动，才产生了大洋的潮汐现象。其具体的作用过程，我们将在下面几个章节里详细介绍。大洋的潮汐蕴藏了巨大的能量，这些能量来自那里呢？我们当然可以认为是来自引力，但先不说引力的本质尚未弄清，但就以太阳、月球和地球作为一个系统来看，如果引力维持潮汐的能量，其总能量就会慢慢变少的，而该系统的总能量的表现的量是三者的距离和动能，但是至今尚未发现三者的距离和相对速度变小的证据。这只能说明引力凭空创造了能量，从而违背了能量守恒定律。

Ⅴ,太阳及其它恒星的能量。太阳无时无刻都在向宇宙的空间释放着巨大的能量 ，现在我们知道，这些能量的来自其内部的氢、氦的聚变，其具体的反应过程在下面的几个章节具体介绍。但是我们可以从另一个方面来看问题，如果太阳及其它恒星的氢、氦没有其强大引力的挤压，就不会产生氢、氦聚变反应的条件。就如榨油一样，豆类种子油料如果没有外界的力量的压榨，油料是不会自己出来的。所以我们可以说太阳及其它恒星的能量至少一部分是来自引力的势能，引力就凭空产生了能量，违背了能量守恒定律。

万有引力定律在宇宙学中占有极其重要的地位，宇宙中天体的运动定律及宇宙的演化都是以万有引力定律来演绎的。如果解决不了万有引力的本质的问题，就会令宇宙学陷入神学范畴的尴尬境地，如爱因斯坦曾说过，开始时（假如有这样的开始）上帝创造了牛顿的运动定律以及必须的质量和力，这就一切；此外的一切都可以用演绎法从适当的数学方法发展出来。

爱因斯坦无法把万有引力纳入其狭义相对论中，他曾这样说过，

牛顿的引力定律我们无论如何费尽心机也无法将其简化运用到狭义相对论范畴中去。于是他就另辟溪径，把引力看作是时空的弯曲，于1905年建立狭义相对论,随后于1915-1916年完成广义相对论。广义相对论认为，具有质量的物质使它附近的时空由平直变得弯曲，即所谓的弯曲的黎曼空间，引力所表现的效果是引起背景时空的弯曲，引力场中的物体不是受到力的作用而是在弯曲时空背景上自由运动，即沿着弯曲时空的最短路线—短程线运动。既然物体在引力场中的运动是其在弯曲时空背景上沿短程线作自由运动，那么我们可以说，不同速度的物质在具有质量的物质的周围的引力场中需沿着不同的短程线。这一点，我们可以以太阳系为例来进行说明，因为太阳系的行星是沿着不同的轨道运行的。

那么我们不禁要问，具有质量的物质为什么会引起时空的弯曲呢？爱因斯坦并没有说明。

现在我们介绍一个可以解释万有引力和具有质量的物质为什么会引起时空的弯曲原因的假设——《引力子的密度在时空结构中的作用》。