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物理的感悟:(十五)重力的特性與定律的缺陷
2024/11/22 05:12:58瀏覽30|回應0|推薦0

牛頓的重力定律有許多缺陷。在探討這些缺陷前,先得理解重力定律的特性。

重力定律首先呈現的是兩個粒子受到的力相等而方向相反,符合牛頓第三運動定律,兩個粒子所組成的群體動量守恆。這個群體沒有外力,質量中心必然做慣性運動。如果兩個粒子一開始相對靜止,受重力作用會相向加速,最後在質量中心碰撞。

重力可以相加。當有三個以上的粒子時,每一個粒子所受的重力是其餘的粒子對它所施的重力的向量和。組成物體中的每一個粒子都受到的重力是其餘粒子所施的重力和。重力可以相加並不奇怪,基於第二運動定律,所有施於同一物體的力都可以相加。

重力有一個很奇特的性質是隔空施力。在一般情況,兩個物體要相接觸才能互相施力。在踢足球時,腳必須踢到球才能發力將球踢出。在拿杯子時,手必須抓住杯子才能將杯子拿起。重力卻不需要。兩個粒子不必實質接觸就能互相施力。太陽不必接觸就能吸住地球在軌道繞轉。為什麼會這樣呢?這個問題牛頓以及他同輩的物理學者一直沒有解答。

重力的第二個奇特的性質是施力對象無遠弗屆。除了可以隔空施力,兩個粒子之間互相施的力雖然會隨距離越遠而變的越小,但是無論距離多遠,都不是0。而且當距離改變時,無論距離多遠,一方所受的力會立即隨之改變。這是如何做到的?

重力的第三個奇特的性質是因物施力。在同等距離施力時,力會自動隨對象的質量的大小調整,保持加速度相等。在一般情況,人在拿物品時會感受到物體的重量,隨之調整施力的大小。那產生重力的物體如何知道調整力的大小的?又如何知道加速度該是多少?

重力的第四個奇特的性質是用之不竭。在日常生活中隨處都要用力。用力會有消耗。走路久了就會需要休息。搬重物多了就沒力氣了。汽車開長途需要加油。可是重力卻沒有這樣的問題。對於任何一個物體或粒子,在任意一個空間位置放置一個任何質量的粒子,會受到物體或粒子的重力而加速。再在同樣的位置放置一個粒子,仍會受到重力而同樣加速。不論重複多少遍,新的粒子都會受到重力而同樣加速。施力的物體或粒子既不需要休息,也不需要加油,更不會沒有力氣。重力不會消耗,永遠用之不竭。

重力的第五個奇特的性質是可以對無論多少個對象同時施力,互不干擾。通常在使用力量時,同一個時間只能對少數對象施力。一個人只有兩隻手,一次只能拎兩件東西。當然許多東西可以裝在一個袋子裡一起拎起。那是施力到袋子上,袋子再施力到內裡的東西。袋子再大容量還是有限,裝不了多少東西。重力卻沒有這種限制,任何一個粒子都對全宇宙的其他粒子施力。對每一個對象所施的力與其他粒子無關。

在前一篇指出,牛頓重力定律是相關性定律。就像開車時,向左轉動方向盤,輪胎就會向左轉;向右轉動方向盤,輪胎就會向右轉。方向盤轉動的角度與輪胎轉動的角度相關,可以建立定律。這樣建立的定律雖然可以準確預測,但是沒有任何內涵解釋為什麼會相關。重力定律也是這樣,無法解釋為什麼質量會隔空互相吸引,機制是什麼?這是重力定律最嚴重的缺陷。

有兩種情況可能產生相關性公式。第一種情況是公式的各因子之間確實有因果關係。轉動方向盤是因;輪胎轉動是果。只是不知道機制。第二種情況是因子都是另外原因的果。譬如說,正午發生潮汐,兩者都是因為地球自轉。潮汐還因為重力。重力定律是那種情況呢?

在重力定律的公式中,重力常數是一個常被忽略的係數。一般物理書中提到重力常數也只是提供單位轉換的功能,並沒有更深入的探討。重力常數真的只是這樣麼?

在物理學中有一種分析的方法,稱作因次分析。將因次分析用於重力定律,左邊的量綱是力的作用[質量 × 長度 ÷ 時間2],而右邊省去重力常數的量綱是重力的產生[質量 × 質量 ÷ 長度2]。兩邊的量綱不同。為了使兩邊的量綱一致,只好設定重力常數的量綱為[長度3 ÷ (質量 × 時間2)]。這代表什麼意義?如果粒子相互作用產生的是力,重力常數應該沒有量綱。既然有量綱,這就說明其實粒子間產生的不是力,而是一種力學沒有命名的東西。這種東西經過一種力學沒有描述的機制產生力的作用。重力常數的量綱暗藏了這個不知名機制的效應。這就產生了一個疑問,這種機制到底是什麼?

為了彌補重力定律的缺失,物理學者創出了重力場這個觀念。重力場真能補足重力定律的缺陷麼?

( 知識學習科學百科 )
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