引力場

引力場

引力場是暗能量和星體相互作用的產物。引力場中某一點的引力與暗能量的虛擬質量和星體的質量的乘積成正比,與該點到旋轉中心的距離的平方成反比。

  • 中文名稱
    引力場
  • 產生原因
    暗能量和星體相互作用
  • 影響地域
    整個宇宙
  • 代表
    重力
  • 特點
    變化是連續的
  • 屬性
    空間力

簡介

任一物體在空間任一點的引力影響用一個表示該點引力'強度'的數來代表的一種觀念。嚴格講,一個物體的引力場延伸到整個宇宙,但實際上它的影響隻在它的近鄰區域才是顯著的(盡管一個類星體或星系的'近鄰區域'可能延伸數百萬秒差距)。

引力場

場論是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀最先提出來描述電磁現象的。20世紀初阿爾伯特·愛因斯坦發展了他的引力場論(即廣義相對論)。這兩大場論的重要特點都是用一組場方程式描述場的性質,而這些方程式既確定了場在任一點的數值,又表明場的數值從一點到下一點的變化是連續的。

在場論提出前,物理學家把粒子的相互作用看成是某種東西越過粒子之間的距離而直接作用于粒子--即所謂的超距作用。但場論則認為,作用都是局部現象,每個粒子在其自身所在地點與場發生相互作用;盡管場的整體結構依賴于全體粒子的性質和分布,場卻能與每個粒子發生作用。按照廣義相對論的說法,引力場的四維黎曼時空度規依賴于物質的密度分布和四維速度(能量--動量張量)。

另見馬赫原理

動力

科學家們一再通過各種的觀測和計算證實,暗能量在宇宙中佔主導地位,約佔73%,暗物質佔近23%,我們所熟悉的物質僅約佔4%。所以宇宙的運動不是由我們所熟悉的物質來推動的,而是由暗能量來推動的。太陽系和銀河系的運動都是旋渦型的,所以,暗能量必定以一種旋渦運動的形式存在,以便推動它們的這種運動。結果,在暗能量運動的範圍內就會形成一種旋渦場,我們稱之為暗能量旋渦場,簡稱為旋渦場。

旋渦場存在如下三種狀態:膨脹、收縮和平衡。當太陽系旋渦場處于膨脹狀態時,所有的行星都會遠離太陽而去。當太陽系旋渦場處于收縮狀態時,所有的行星都會向太陽靠近。當太陽系旋渦場處于平衡狀態時,行星繞太陽運動的狀態就會保持不變。就這情況來看,太陽系旋渦場處于平衡狀態。在這種狀態下,太陽系的暗能量將全部轉化為太陽和行星運動的動能。換言之,太陽系的暗能量和太陽系物質運動的總動能是相等的。以En來表示太陽系的暗能量,以Ep來表示太陽系物質運動的總動能,則En=Ep。

引力

引力簡介

既然太陽系的運動是由暗能量來推動的,那麽,當暗能量為零時,太陽系將失去運動的動力,它將會象一盤散沙,而不會連結成一個整體。所有的行星都不會繞太陽運動。在這種情況下,將不會存在太陽的引力,即太陽與行星之間不存在引力。所以,太陽的引力是由暗能量和太陽的質量共同產生的。由于暗能量總是以一種動能的形式出現,所以,可以用一條動能的公式來代表暗能量:En=MnVn2/2。該公式中,Vn代表暗能量的平均速度,Mn代表暗能量的虛擬質量。經此簡化,就可以認為,太陽的引力是由虛擬質量Mn和太陽的質量共同產生的。

引力場

Vn與太陽系中暗能量的分布有關,它等于4293.40米/秒。由于太陽系旋渦場處于平衡狀態,所以,En=Ep1=1640.189×108×M0焦耳,公式中,Ep1代表太陽系運動的總動能,M0代表地球的質量。詳情請看"暗能量的衰退"。把資料代入動能公式,可求得太陽系中暗能量的虛擬質量:

Mn=2En/Vn2=2×1640.189×108×M0/(4293.40)2=17796×M0

計算結果表明,太陽系中暗能量的虛擬質量是地球的17796倍。而太陽的質量卻是地球的133769倍。

引力方程

下面讓我們來建立太陽系引力場方程。用R來表示太陽系引力場中任何一點到太陽系中心的距離,用M來表示太陽的質量,用Mn代表太陽系中暗能量的虛擬質量。用F來表示太陽系引力場的引力。則可以得到如下公式:

F=G1MnM/R2=G3/R2 …………(1)

G3=G1MnM

公式(1)中,G1是引力場的引力常數,它與萬有引力常數G的值不相同。公式(1)的意思是:太陽系引力場中某一點的引力與虛擬物質的質量Mn和太陽的質量Mp的乘積成正比,與該點到太陽系中心的距離R的平方成反比。在太陽系引力場,G1、Mn、M三者都是恆定值,G3也是一個恆定值。但對于不同的引力場,G3值是不同的。所以,公式(1)實際上就是關于引力F和距離R的關系方程式,稱之為引力場方程。相應地,我們稱G3為引力場方程的常數。

引力場中的引力與物體的質量無關。這個道理很明顯,因為引力場不是由這個物體產生的。例如,在離地面100米的A點處,不管A點處是否有物體,它都存在地球引力場的引力,而且A點處的引力值是不變的。A點處的引力並不因為物體的不存在而消失。隻要地球不消失,地球引力場就會永遠存在。

當物體在旋渦場內運動時,物體的質量相對于星體來說要小到忽略不計。如果物體的質量很大,它的運動對旋渦場的動力平衡產生很大的影響,那麽,旋渦場就會發生收縮或膨脹。在這種條件下,虛擬質量Mn和引力F都會發生變化,公式(1)不適用。

可以做一個實驗來檢驗公式(1)的正確性。實驗方法如下:在真空狀態下,兩個質量不同的物體處于同一高度,讓它們自由落下地面。如果它們同時到達地面,那麽,就可證明自由落體到達地面所需的時間隻與引力場有關,而與物體的質量無關。同時,它也證明了星體引力場的引力與物體的質量無關。

很顯然,實驗的結果是支持上述理論的,即支持旋渦場理論,也支持著萬有引力的理論

重力

物體的重力是在引力場的作用下才產生的。沒有引力場,物體就不存在重力。所以,重力不是物體本身的屬性,但它也不是引力場本身的屬性。物體本身不會產生重力,引力場本身也不會產生重力。物體的重力是引力場中和物體的質量共同作用的產物。萬有引力理論實際上把重力和引力等同了起來,它把物體的質量也當做了產生引力場的主要因素,從而分不清楚什麽是引力,什麽是重力。換言之,它無法解釋物體的重力現象。可以用如下公式來計算物體的重力:

P=G2mF …………(2)

公式(2)中,P代表物體的重力,m代表物體的質量,F代表物體在旋渦場中所處的體置的引力,G2是一個重力常數。

公式(2)的意思是:物體的重力與物體的質量和引力場的引力的乘積成正比。

重力方程

引力G1和重力G2

地球繞太陽運動的平均速度用V1來表示,它的平均軌道半徑用R1來表示。則有V1=29790米/秒,R1=1.49597870 × 1011 米,地球的質量為M0。根據地球繞太陽運動的向心力等于它的離心力的原則,可得如下公式:

G1G2M0MnM/R2=M0V12/R1

R1V12 1.49597870 ×1011×(29790)21 2.209146×1010

G1G2=---=------------=-------

MnM (17796M0)×(337691M0) M0×M0

地球的質量M0=589×1024kg,代入上式,計算後得:

G1G2=6.36786×10-38…………(4)

引力F的單位為kg/m2,它的意思是引力場中的引力是按高度的平方來遞減的。引力單位中不能有時間的單位,因為引力場中的引力與時間無關。G1的單位是kg-1,G2的單位是m3kg-1s-2。

把重力P=mg代入公式(3)後得:

G2=F/g …………(5)

引力場中的引力是一個相對概念,不是一個絕對概念。我們應該定出一種衡量引力的標準。這個標準可以按如下方法來定義:把太陽表面的引力定為274kg/m2,以此作為衡量引力場中的引力標準。太陽表面的重力加速度為274米/秒^2。根據這個標準以及公式(5),可得重力常數G2=1m3kg-1s-2。把它代入公式(4)後得:

G1=6.36786 ×10-38kg-1

向心力

以太陽系為例來說明行星的向心力。太陽系引力場中的引力可按照公式(1)來計算。行星在太陽系引力場中的重力P可按公式(2)來計算。把公式(1)代入公式(2),可得如下公式:

P=G2mF=G1G2mMnM/R2 …………(3)

在太陽系引力場中,行星重力的方向是指向太陽的,所以,行星的重力又可以稱為行星繞太陽運動的向心力。所以,公式(3)就是計算行星繞太陽運動的向心力公式。

萬有引力

科學家們可以用萬有引力公式來計算地球繞太陽運動的向心力,其計算結果用F0來表示。也可以用上述公式(3)來計算地球繞太陽運動的向心力,其計算結果用P0來表示。通過比較會發現,F0=P0。為什麽兩種不同的理論會有相同的結果?原因很簡單:理論上的不完善往往可以用公式中的常數來修正。因為這種常數是科學家們通過大量實驗和計算得出來的結果,是正確的。

在同一個引力場中,如在太陽系引力場中,萬有引力常數G是一個恆定值。但在不同的引力場中,G值是不相同的。當暗能量發生變化時,G值也會發生變化。

結論:公式是對的並不等于它的理論是完全對的。

化合引力

在原子組合成分子的過程中,兩個或多個原子核引力場(圖46)相互吸引,首先克服原子外圍負電子間的庫侖斥力,使原子緊密的粘合在一起,分子中原子都是非球形的,象被壓扁了似的(圖2),這是一種強大吸引力,傳統理論已無法給出正確的回答,實際這就是原子核引力場,它們在彼此靠近中形成"化合引力場"。化合引力場實質上隻是多個原子核引力場(圖46)的相互作用,原子核引力場、化合引力場是離子鍵、共價鍵、金屬鍵、色散力、氫鍵的主要成分。

金屬鍵最能說明強大"原子核引力場"的存在。金屬原子結構的特征是最外層價電子數目少(通常1-2個),而且價電子與原子核間的結合力很弱,極易脫離原子核成為自由電子,金屬原子失去價電子後成為正離子。在金屬晶體中大部分都是正離子,其餘都是中性原子,這些正離子之間的庫侖靜電排斥力(M)遠遠大于正離子對自由電子的庫侖靜電吸引力(K)(參見圖1及表1,在§1.2中),因為原子核與自由電子(原來的價電子)的結合力很弱,而且金屬原子外圍有著很多負電子,因此金屬原子間的庫侖靜電排斥力是很大的,按照傳統理論推演,金屬晶體本應該是最不堅固的,或者根本不能使兩個金屬正離子靠近,金屬晶體根本無法存在。而實際上恰恰相反,金屬鍵結合力最強,組合成的金屬非常堅固,這是為什麽?筆者指出,這是因為金屬原子的原子核引力場強,組合成的"化合引力場"也最強,表現為金屬鍵的結合力強。在金屬晶體中,是金屬原子的"原子核引力場"的引力與原子外圍的眾多負電子之間的庫侖靜電斥力形成平衡。當金屬原子相互靠近,形成"化合引力場",由于金屬原子最外層的價電子極易受到其它金屬原子的原子核引力場的吸引,因此這些"價電子"極易成為"共享電子",就象有機分子的"共享電子"。

離子鍵的特點是沒有方向性和飽和性,那麽與此有關的傳統理論就存在很大漏洞。Na、Cl都是電中性的,Na+和Cl-組合後必然是電中性的,那麽在NaCl晶體中,每個Na+離子就不可能用庫侖靜電吸引力吸引著6個Cl-離子,同樣每個Cl-離子也不可能用庫侖靜電吸引力吸引著6個Na+離子,這顯然與事實不符,因此其中必然還有一種未知的強大吸引力,那就是原子核引力場。傳統理論將正離子與負離子之間庫侖靜電吸引力描繪得很強,其實正離子的"正電"之源在原子核,它對負離子外圍的負電子的庫侖吸引力(K)遠遠小于正、負離子外圍的負電子之間的庫侖斥力(M),因為後兩者距離近,且正、負電荷同量級,因此用"庫侖靜電力"根本無法使正、負離子結合在一起。

離子鍵的本質:金屬原子之所以容易形成正離子,是因為金屬原子的原子核引力場強,束縛了大量的負電子,而使外圍的負電子間存在較強庫侖靜電斥力,加之當中有大量負電子阻擋,使原子核引力場輸出的引力子對最外圍的負電子的束縛力降低,在負電子間庫侖斥力作用下,金屬原子最外圍的負電子較易脫離原子核引力場,形成正離子,與太陽引力場對外圍行星的束縛力低的情況相似。在離子型化合物中非金屬原子的情況恰恰相反,非金屬原子的原子核引力場相對弱,外圍的負電子少,負電子間的庫侖靜電斥力也相對小,非金屬原子的原子核引力場較易吸引一個額外的負電子,形成負離子。由于正離子的引力場強,能與負離子形成較強的"化合引力場",因此離子型化合物一般都是固體。這其中當然也有過去認為的正負離子庫侖靜電吸引力的作用,但絕不是主要作用,因為正負離子的庫侖吸引力還遠不及正反離子間最外圍的負電子間庫侖斥力,因為後兩者距離近。

共價鍵的本質:兩個原子(A、B)在彼此原子核引力場的吸引下靠近,當下列吸引力與斥力形成平衡,即成鍵,吸引力:A(B)原子核引力場對B(A)原子核與B(A)負電子的引力,A(B)原子核對B(A)負電子的庫侖吸引力;斥力:A負電子與B負電子的庫侖斥力,A原子核與B原子核之間的庫侖斥力。如兩個氫原子互相靠近時,氫原子核引力場之間的引力克服負電子間的庫侖斥力,當它們漸漸靠近直到兩電子的波函式發生疊加,兩電子由原來各從屬于一個質子變成兩個質子所共有,成為一個氫分子。兩個質子組合成的"化合引力場"束縛著兩個電子。

在有機分子中一般都具有自旋相反的成對電子,這些負電子都有相同的左右引力場和左右反引力場,之所以看上去自旋相反,是因原子在組合成分子的過程中,原子核引力場中的引力子運行路線有所改變,形成"化合引力場",在這種引力場的作用下,其中一個負電子被倒置,就象兩個人分別處于直立態和倒立態。

在分子中有一種規律,即大質量的原子居于分子的核心(圖47,48,49,50,51),如血紅蛋白,原兒茶酸根3,4-雙加氧酶,細菌核苷酸還原酶的R2蛋白質中都是以鐵原子為核心,這是為什麽?這是傳統理論無法解釋的。筆者提出,這是因為鐵原子的引力場強,能束縛較多輕原子在它周圍,如鐵等重原子引力場能束縛15-20個原子直徑範圍內的原子。鉛、鉈、汞等重原子之所以對生物體有害,是它們的引力場過強,使周圍分子的主鏈斷裂,如汞離子對硫醇類化合物具有較大的親和性,這種相互作用以及伴隨所形成化合物的穩定性,使得許多蛋白質和酶結構中的必需硫醇類失去活性。

分子間作用力可分色散力、靜電力、誘導力三種,其中色散力是其中主要成分,它存在于所有的分子之間,是一種吸引力,沒有方向性和飽和性,作用範圍約幾百pm,屬于長程作用力。色散力就是原子核引力場或化合引力場形成的。分子間相距較遠時,主要表現為引力(萬有引力),而當分子靠近時,就會出現排斥力,這是一種短程力,正是負電子間的庫侖靜電斥力。

引力強度

根據萬有引力定律(平方反比定律),引力場強度是描述引力場的性質的基本物理量,是個矢量。它與電場強度完全等效。

在引力場中某觀察點的引力場強度E,等于置于該點的靜止質點m所受的引力力F與質量m的比。

引力場強度的單位應是牛(頓)每千克。在國際單位製中,符號為N/kg。如果1kg的質點在引力場中的某點受到的萬有引力是1N,這點的引力場強度就是1N/kg。如果拿地球表面為研究對象,它的引力場強度則為g,即重力加速度大小。但是,引力場強度並不等于加速度。

廣義相對論中,引力場被描述為因質量而彎曲的時空,因此引力場的"強度"可以用方程左邊的度規張量描述。度規張量唯一確定了時空的幾何性質。對于閔可夫斯基時空(沒有引力的時空,即狹義相對論研究的四維時空),度規g(11)=-c^2, g(22)= g(33)=g(44)=1,其餘g(ij)=0。

相關詞條

相關搜尋