引力是如何产生的?

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千百年来人类之所以能脚踏实地的生活,全靠地球引力将人类牢牢“吸附”在了地表,人类对引力的第一次系统认知始于牛顿时期的万有引力定律,从那时起人们知道了质量越大引力越大并且也知道了平方反比定律。

但牛顿并不知道引力是怎么产生是,他认为引力是自古以来就有的一种属性,但事实证明引力也是有产生机制的。在1916年发表的广义相对论中爱因斯坦将引力归结于质量扭曲时空造成的几何形变,按照这个思路爱因斯坦还提出了引力场方程,后来的黑洞引力波以及可能存在的虫洞都是从爱因斯坦广义相对论中得出来的。


在广义相对论近乎完美的解释引力的同时,量子力学也在研究其他三种基本作用力,并且在上个世纪下半叶构建了以“杨-米尔斯理论”为基础的粒子物理学标准模型,该模型完美的将强力弱力以及电磁力归纳到了一起,从而统一了四大基本力中的三种。

但引力却始终无法与其他三种基本作用力归纳到一个理论里,这背后反应的其实是广义相对论和量子力学间的矛盾。

量子力学认为引力也是由粒子的交换所产生的,因此基本粒子模型里一直有一个叫“引力子”的东西存在,然而直到今天科学家们也没找到引力子,所以现在的引力产生机制广义相对论所说的时空扭曲。


但问题是相对论和量子力学这两个现代物理学的支柱却在引力问题上始终无法达成一致,因此关于引力的认识和探索其实还有很长一段路要走。


宇宙探索未解之迷


其实从牛顿那个时候起,到现在关于引力一共有3种说法。

牛顿:超距作用

牛顿认为引力是超距作用,如何理解呢?就是说,如果太阳没了,在那一瞬间地球就会被甩出去。也就是说,万有引力是瞬间实现的,具体是为什么,其实牛顿也解释不清楚,但是他的理论对于引力比较小,速度比较慢的宏观世界,是匹配的很好的。补充一点:在牛顿的理论当中,时空是平直的。

爱因斯坦:时空的弯曲

爱因斯坦认为,牛顿理论的基础假设是错的,时空并不是平直的,而是可以弯曲的。

而质量越大的物体对于时空扭曲的程度就会越大。比如:黑洞,就因为扭曲程度实在太大了,所以光都跑不出来。

在这套体系当中,引力的本质是时空的弯曲。举个例子,地球之所以绕着太阳转,表面上看是引力,实际上是因为太阳扭曲了时空,地球沿着测地线在运动而已。

爱因斯坦的理论比牛顿的适用范围更广,不仅宏观世界能够描述,也能够描述引力巨大,速度巨快的世界。是我们目前关于引力的主流理论。

引力子

除了爱因斯坦之外,其实还有一些科学家提出了不同意见,他们发现大自然有四种作用力,强力,弱力,电磁力和引力。而现代的粒子标准模型理论已经完成了强力,弱力和电磁力的统一,他们发现这些作用都是通过粒子实现的。所以,他们认为是不是也存在传输引力的引力子,并且提出了引力子理论。但这个理论其实存在着巨大的误差。而且引力子至今也没有被找到。


所以,目前的主流理论是爱因斯坦的相对论,引力的产生来自于时空的弯曲。


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引力是什么,人类思考这个问题长达2000多年了。要讲明白这个宏大的命题,我们先从一个传统的争论入手,以便同学们热热身。

牛顿和爱因斯坦的引力之争

牛顿发现万有引力后,从名字大家应该可以理解到,引力不用管如何产生,因为它“万有”!上帝只需要在最初一刻推动一下天钟,宇宙星辰就在牛顿的宇宙中恒久不变的运动了。简单的说,大家普遍认为引力无处不在,而且传播是不需要时间的。

爱因斯坦不信这个邪,“只有真空光速不变才是唯一的绝对!其他一切都可以改变!”在广义相对论的宇宙中,空间被掰弯,时间被拖慢,引力自然也不例外。按“相对论”的高逼格引力被重新表述:质量发生变化,导致时空结构改变,时空结构的变化将以“波”的形式传播。

简单的说:引力以光速传播。这就是引力波的概念。

初判高下:宇宙双星系统实验

按照牛顿的经典物理:两颗质量不变的星星,相互绕着旋转,轨道半径是不会有任何变化的。

但按照相对论引力波的理解,两颗旋转的星星,忽远忽近,使得引力忽大忽小,并以光速对外传播,这种“引力辐射”使双星的能量不断降低,进而导致双星运行轨道变短。

这就好办啦,宇宙早就为我们准备了一个完美的“引力实验室”——脉冲双星。

1974年阿雷西博射电望远镜发现了一对脉冲双星,编号PSR1913+16,按照引力波的预言,这对脉冲双星因为引力辐射损失能量,应该会导致公转周期每年减少百万分之75秒,并在3亿年后合并。

天文学家持续进行了多年的观测,最终,根据脉冲变化规律计算得:公转周期每年减少百万分之76±2秒,半长轴每年缩短3.5米,与相对论预言极其吻合!

这是首次对广义相对论最精确、最全面的检验!第一回合,爱因斯坦获胜。

引力波直接测量原理

脉冲双星虽然提供了有力的间接证据,但毕竟不是直接测量。大家一合计,不如来一次面对面测试吧。

引力波探测的原理异常简单。前后放两块板,如果引力是瞬间传播的,那么这两块板会同时感受到引力,同时产生轻微的位移,两者间距不会有变化。如果引力是光速传播的,那么前面的板先感受到引力,先产生位移,此时后面的板尚未感受到引力,所以两块板的间距就会发生变化。

简而言之:如果好端端的两块板,突然平白无故的移动了一下,我们就认为探测到了引力波。

爱因斯坦的胜利:LIGO

道理不复杂,做起来可一点不简单!引力波引起的移动,可能只有千分之一质子大小的距离。我们要测量到这种尺度的位移,才能有本事揭开引力波之谜,不说了,上硬菜——激光干涉引力波天文台(LIGO)!

先把一束激光分成2束,按相互垂直的方向发射出去,在各自顶端放一个反射镜。每个管道长4km,激光来回反射50次,最后两束激光形成干涉条纹。当引力波经过时,两个反射镜会先后受到干扰,先后产生位移,间距也就变了一下,干涉条纹就会发生变化。

为了信号的可信度,特别在远处再造一个一模一样的装置,两台LIGO相距3000km。这样可以避免任何地球本身的振动,对测量产生影响。而来自十几亿光年之外的引力波,哪怕是相距3000万km,引力场也是非常均匀的,两台LIGO的测量波形将完美吻合。

美国总共花费5.6亿美元,耗时16年,终于得到了如下的成果:

这个引力波来自十几亿光年之外的两个黑洞相撞,两颗黑洞的初始质量分别为14.2颗太阳和7.5颗太阳,合并成了一颗20.8倍太阳质量的黑洞,亏损的0.9颗太阳质量以引力波的形式释放到宇宙空间。如此巨大的能量,让我们目睹了0.25秒的琴弦扰动。

胜利属于爱因斯坦的宇宙。

引力到底是什么?

引力,仿佛亘古不变,不可屏蔽,不会转向,执着的以恒定光速向外传播,和其他三种基本力完全不同。

引力也是目前为止我们这种三维空间生物超越时空的唯一希望。例如,面对黑洞,时空物理规律都被破坏,唯独引力一如既往向外传播,连黑洞都被它无视。

可惜,原理机制仍旧是瞎。但好歹爱因斯坦为我们指明了方向。

结语

我们好像知道了很多,其实我们或许根本一无所知。能够触摸到宇宙最深奥秘的边缘,人类必须全力以赴。


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引力,四大基本力之一,也是唯一一个和其它三种基本力无法统一的力。

引力的完整研究最早始于牛顿。据说牛顿式因为坐在苹果树下思考,被一个苹果砸到头,于是乎灵光一闪,想到了万有引力这个概念。之后,仅仅围绕这个思路,牛顿经过大量的数据测量和天文学观察,发现了万有引力这个创世纪的定律。在牛顿的时代,大家并不知道引力是如何来的,只知道引力的公式如下:

F=GM1*M2/R^2

即物体的引力,和物体的质量以及物体的距离的平方的倒数呈正比。牛顿时代,能够得到万有引力已经十分不易,我们也不必对其严苛要求,非要找出引力因何而来。直到爱因斯坦横空出世,以迅雷不及掩耳之势相继提出狭义相对论和广义相对论,人们才真正意义上破解引力来源之谜:

即引力是空间的几何弯曲而产生,本身可以说并非是一种“力”,而是一种空间扭曲的几何效应而已。就像是一个处于海绵上的小球,可以把海绵压的凹陷下去。而小球周围由于海绵凹陷,再放置其它东西,就会有落向小球的倾向。这就是万有引力的一个简单解释,当然,更为深刻和复杂的解释,我们就的看广义相对论的场方程了。

由于引力是空间的几何效应产生,所以广义相对论还预言了一种特殊的空间波,即引力波。这种引力波是空间的联系压缩伸展产生的一种波动,十分神奇。在牛顿时代,人们根本无法想象空间竟然可以发生扰动,这简直是颠覆认知的。

不过,宇宙就是这么神奇,我们人类就如蝼蚁一般,在一个弹丸之地生存,天天为了房子车子而奔波着。


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引力是自然界四大基本作用力之一,除此之外还有强力、弱力、电磁力,但是引力从本质上讨论与其他三种“格格不入”,其他三种基本作用力都可以用量子力学来从本质上解释,力的作用过程可以看作是基本粒子的交换过程。

例如:电磁力的媒介子是光子;强力主要是束缚原子核的作用力,不让质子、中子、夸克等跑出来,强力的媒介子就是胶子(规范粒子);弱力简单的理解就是粒子的衰变,比较典型的就是β衰变,由于自由中子不稳定,它们的寿命大约为15分钟。中子衰变时会释放一个电子和一个反中微子最后变成质子,弱力的媒介子是玻色子。

上边说的几种基本粒子都属于粒子物理标准模型中的粒子,但是唯独解释引力的时候提出引力子无非自洽,引力子至今是一种假说尚未被发现。但是引力却可以通过爱因斯坦的广义相对论来解释,广义相对论的核心就是时空弯曲。而引力就是时空弯曲的外在表现,引力波被认为是时空涟漪也在2016年被科学家发现观测到。

目前来看时空弯曲是引力最好的本质解释,时空像一张有弹力的薄膜有质量的物体放上去自然会让时空发生弯曲。对于四大基本作用力不能统一解释也是相对论和量子力学的矛盾点之一。 万有引力虽然最早由牛顿发现,但是牛顿并没有从本质上解释万有引力,而广义相对论对于引力的解释重新修订了万有引力公式,让我们对于引力的描述越来越准确。

但是这是最准确的描述吗?目前来看是的,但是随着科学理论的发展是否会有新的理论出现能更好的描述引力也说不定。至少弦论中的M理论可能有这方面的潜力,统一相对论和量子力学。



科学黑洞


在牛顿之前,人类的世界观是神的世界,认为天体的分布和运行都是根据上帝的旨意安排的。

抛开意识形态的争执,当时人类认为,世界的现状是一直存在着的,并没有追究与探寻导致天体现状的原因与具体的物理机制。

到了牛顿时代,牛顿借助引力的机制,解释了行星为何会围绕着太阳🌞在椭圆轨道上运行。然而,牛顿并没有进一步给出产生引力的具体机制。

1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,通过将两个不同概念的引力质量和惯性质量等同起来,使物质与空间建立了相互联系。

于是,爱因斯坦将物质之间的引力归结为空间的变形,即空间弯曲。不过,作为唯象型理论,爱因斯坦在广义相对论中依然没有说明引力引起空间弯曲的物理机制是什么,甚至都没有说明空间是由什么构成的。

又过了十年,借助普朗克常数h,玻尔等人建立了量子力学。他们发现,所以物体都具有波动性。

这意味着,在我们的宇宙中,存在着统一且不连续的物理背景,即宇宙是由无数个离散的基态量子构成的。

又由于原子的体积只是由电子高速运动所产生的屏蔽效应形成的,所以物质是由高能量子组成的封闭体系。

由于封闭体系具有概率性,因而任何物质的封闭性是小于1的。

于是,作为封闭体系的物质都会对其物理背景即量子空间产生热辐射☢️,使该物质临近的量子空间形成热的梯度分布。

于是,两物体之间的空间温度会略高于它们外侧空间的温度。

由于空间的温度与物体的封闭性成反比关系,所以量子空间对两物体外侧的量子碰撞💥多于对它们内侧的量子碰撞。由此产生的压力差,导致了两物体的相互接近。这就是产生万有引力的物理机制。

根据这一量子碰撞的引力机制,可以避免万有引力公式中的距离为零,引力出现无穷大的弊端。

根据计算,空间量子之间的距离为2.913x10-14厘米。当两物体的距离小于这一距离时,就失去了量子空间的压力,引力以指数的形式迅速衰减为零,即当作用距离小于空间量子间距时,引力就不再存在了。

总之,如果空间是由离散的量子构成的,物质是由高能量子组成的的封闭体系,那么量子空间的不对称碰撞,是产生引力的物理机制。


淡漠乾坤



早在1687年牛顿就对自然界的运动现象做出来描述,他提出万有引力和三大运动定律奠定了物理科学界的基础。他的理论认为,世界上的物体都存在一种相互吸引的引力。质量越大的物体引力就越大,包括我们人本身也是有引力的,只是我们自身的引力太小,被宇宙中大型天体的引力给中合了。



牛顿认为引力是凭空产生的自然规律 ,是宇宙刚诞生出来就具有的。而在牛顿之后,爱因斯坦又在相对论中提出了引力场论,该理论认为宇宙中存在引力场 就比如说太阳,太阳因为自身质量太大所以导致了空间的扭曲,或者说每个物体都会扭曲空间,其扭曲的程度看质量大小而议,质量越大,扭曲程度就会越大。

这种引力场论近年已经被NASA发射的引力场探测卫星所证实了。引力场卫星的探测锥在太阳引力场的影响下发生了偏移。而引力场还说明了一个问题,那就是引力场可以扭曲折射光线,这也是光不能从黑洞里逃出来的原因。

爱因斯坦的引力场可以实用于宇宙天体大的方面。而牛顿的万有引力则实用与于小的方面。两者并不冲突,都是对自然界的描述。
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引力的本质就是电力!引力是上帝用打破电荷对称平衡换来的。也是一种宇称的破缺,既等量异种电荷之间的吸引力要比等量同种电荷之间的排斥力略微大一点点,一点点!这样两个看似电中性的原子之间就有了微弱的吸引力,大量的原子垒集起来引力就很可观了,虽然每个原子的外层电子跟原子核带的电荷大小相等极性相反,但是由于电力的失衡导致中性原子之间电荷吸引力跟拍斥力不能完全抵消。这失衡的过剩的电力就表现为引力!参与万有引力的粒子都是包含电荷的,包括中子内部也是由带电的夸克组成的。那为什么不说磁力呢,这个我以前讲过,磁力是电荷相对运动以后增强的电力,(两个同种电荷相互运动以后排斥力就比静止时增强了,两个异种电荷相互运动以后吸引力也比静止时增强了)增强的这一部分就表现为磁力。用这条规则轻松解释为什么通了同向电流的导线是相互吸引的而真空中同向飞行的电子流是相排斥的。磁场跟电场的关系好比是空气跟风的关系,物体跟空气一相对运动,迎风面的气压就会增大就有阻力,这就是风。

以上是微观上的。宏观上引力是宇宙加速膨胀的后座力了!当两个人背靠背同时向相反的方向开枪时他们的后背就会紧紧贴(吸)在一起。因为子弹在火药膨胀力的作用下加速向外飞去。上帝就是这样巧妙设计的宇宙!本文原创


手机用户前途无亮


物质是没有意识的,不会产生吸引力,在微观世界里,每个微粒都在振动,都储存有暗能量,每个粒子都是宏观物体的内能储备者,我们把这种振动叫做波动,也就是宏观物体都通过内部粒子向外辐射着能量波,也就是黑体辐射,黑体辐射也就是暗物质传递,传播着物体内能的信息,黑体辐射在各种客体中来回的反射着,宏观物体内部的粒子通过暗物质,相互碰撞交换着能量,形成动态平衡,这就是物质波,物质都是通过微粒波动相互转化能量,保持动态平衡,但是并不能产生能量压力差,不能形成两个物体向中间靠拢的运动趋势,那么这种自然的引力现象到底是怎样产生的呢?我们知道,宇宙空间充满了暗物质,其实这些暗物质就是以太,光的传播介质,以太就是由许多光子组成的以太体,以太是介质,从宏观的视野看,以太整体是相对静止的,就如一块固体,不动时,是相对静止,但是内部分子则是在振动的,分子的动能就是固体物质的内能,内能也称热振动,以太内部的光子,也就是暗物质,光子所具有的动能就是暗能量,这些暗物质~光子,就是物质黑体辐射的介质,物质波通过光子产生热辐射和反辐射,也就是反射现象,你了解了物质间的微观辐射的道理后,再去思考引力现象就很容易了,我们知道,恒星就是核弹爆炸,把产生的热能以光辐射的形式把能量向宇宙空间四处散射,光线又是以直线传播的,能量流是以光束向空间推进的,遇到物体就会产生影射现象,并且产生影射面积,对物体产生辐射压,当两个物体靠近时,两个物体相互产生影射面积,这个影射面积与两个物体的距离有关,距离越远,产生的影射面积就越小,距离越近,产生的面积就越大,产生的辐射压力就越大,两个物体受到的辐射压力形成压力差,于是两个物体就产生了力不平衡,向中间运动,这就是产生的引力现象。


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