引力是如何產生的?

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千百年來人類之所以能腳踏實地的生活,全靠地球引力將人類牢牢“吸附”在了地表,人類對引力的第一次系統認知始於牛頓時期的萬有引力定律,從那時起人們知道了質量越大引力越大並且也知道了平方反比定律。

但牛頓並不知道引力是怎麼產生是,他認為引力是自古以來就有的一種屬性,但事實證明引力也是有產生機制的。在1916年發表的廣義相對論中愛因斯坦將引力歸結於質量扭曲時空造成的幾何形變,按照這個思路愛因斯坦還提出了引力場方程,後來的黑洞引力波以及可能存在的蟲洞都是從愛因斯坦廣義相對論中得出來的。


在廣義相對論近乎完美的解釋引力的同時,量子力學也在研究其他三種基本作用力,並且在上個世紀下半葉構建了以“楊-米爾斯理論”為基礎的粒子物理學標準模型,該模型完美的將強力弱力以及電磁力歸納到了一起,從而統一了四大基本力中的三種。

但引力卻始終無法與其他三種基本作用力歸納到一個理論裡,這背後反應的其實是廣義相對論和量子力學間的矛盾。

量子力學認為引力也是由粒子的交換所產生的,因此基本粒子模型裡一直有一個叫“引力子”的東西存在,然而直到今天科學家們也沒找到引力子,所以現在的引力產生機制廣義相對論所說的時空扭曲。


但問題是相對論和量子力學這兩個現代物理學的支柱卻在引力問題上始終無法達成一致,因此關於引力的認識和探索其實還有很長一段路要走。


宇宙探索未解之迷


其實從牛頓那個時候起,到現在關於引力一共有3種說法。

牛頓:超距作用

牛頓認為引力是超距作用,如何理解呢?就是說,如果太陽沒了,在那一瞬間地球就會被甩出去。也就是說,萬有引力是瞬間實現的,具體是為什麼,其實牛頓也解釋不清楚,但是他的理論對於引力比較小,速度比較慢的宏觀世界,是匹配的很好的。補充一點:在牛頓的理論當中,時空是平直的。

愛因斯坦:時空的彎曲

愛因斯坦認為,牛頓理論的基礎假設是錯的,時空並不是平直的,而是可以彎曲的。

而質量越大的物體對於時空扭曲的程度就會越大。比如:黑洞,就因為扭曲程度實在太大了,所以光都跑不出來。

在這套體系當中,引力的本質是時空的彎曲。舉個例子,地球之所以繞著太陽轉,表面上看是引力,實際上是因為太陽扭曲了時空,地球沿著測地線在運動而已。

愛因斯坦的理論比牛頓的適用範圍更廣,不僅宏觀世界能夠描述,也能夠描述引力巨大,速度巨快的世界。是我們目前關於引力的主流理論。

引力子

除了愛因斯坦之外,其實還有一些科學家提出了不同意見,他們發現大自然有四種作用力,強力,弱力,電磁力和引力。而現代的粒子標準模型理論已經完成了強力,弱力和電磁力的統一,他們發現這些作用都是通過粒子實現的。所以,他們認為是不是也存在傳輸引力的引力子,並且提出了引力子理論。但這個理論其實存在著巨大的誤差。而且引力子至今也沒有被找到。


所以,目前的主流理論是愛因斯坦的相對論,引力的產生來自於時空的彎曲。


鍾銘聊科學


引力是什麼,人類思考這個問題長達2000多年了。要講明白這個宏大的命題,我們先從一個傳統的爭論入手,以便同學們熱熱身。

牛頓和愛因斯坦的引力之爭

牛頓發現萬有引力後,從名字大家應該可以理解到,引力不用管如何產生,因為它“萬有”!上帝只需要在最初一刻推動一下天鍾,宇宙星辰就在牛頓的宇宙中恆久不變的運動了。簡單的說,大家普遍認為引力無處不在,而且傳播是不需要時間的。

愛因斯坦不信這個邪,“只有真空光速不變才是唯一的絕對!其他一切都可以改變!”在廣義相對論的宇宙中,空間被掰彎,時間被拖慢,引力自然也不例外。按“相對論”的高逼格引力被重新表述:質量發生變化,導致時空結構改變,時空結構的變化將以“波”的形式傳播。

簡單的說:引力以光速傳播。這就是引力波的概念。

初判高下:宇宙雙星系統實驗

按照牛頓的經典物理:兩顆質量不變的星星,相互繞著旋轉,軌道半徑是不會有任何變化的。

但按照相對論引力波的理解,兩顆旋轉的星星,忽遠忽近,使得引力忽大忽小,並以光速對外傳播,這種“引力輻射”使雙星的能量不斷降低,進而導致雙星運行軌道變短。

這就好辦啦,宇宙早就為我們準備了一個完美的“引力實驗室”——脈衝雙星。

1974年阿雷西博射電望遠鏡發現了一對脈衝雙星,編號PSR1913+16,按照引力波的預言,這對脈衝雙星因為引力輻射損失能量,應該會導致公轉週期每年減少百萬分之75秒,並在3億年後合併。

天文學家持續進行了多年的觀測,最終,根據脈衝變化規律計算得:公轉週期每年減少百萬分之76±2秒,半長軸每年縮短3.5米,與相對論預言極其吻合!

這是首次對廣義相對論最精確、最全面的檢驗!第一回合,愛因斯坦獲勝。

引力波直接測量原理

脈衝雙星雖然提供了有力的間接證據,但畢竟不是直接測量。大家一合計,不如來一次面對面測試吧。

引力波探測的原理異常簡單。前後放兩塊板,如果引力是瞬間傳播的,那麼這兩塊板會同時感受到引力,同時產生輕微的位移,兩者間距不會有變化。如果引力是光速傳播的,那麼前面的板先感受到引力,先產生位移,此時後面的板尚未感受到引力,所以兩塊板的間距就會發生變化。

簡而言之:如果好端端的兩塊板,突然平白無故的移動了一下,我們就認為探測到了引力波。

愛因斯坦的勝利:LIGO

道理不復雜,做起來可一點不簡單!引力波引起的移動,可能只有千分之一質子大小的距離。我們要測量到這種尺度的位移,才能有本事揭開引力波之謎,不說了,上硬菜——激光干涉引力波天文臺(LIGO)!

先把一束激光分成2束,按相互垂直的方向發射出去,在各自頂端放一個反射鏡。每個管道長4km,激光來回反射50次,最後兩束激光形成干涉條紋。當引力波經過時,兩個反射鏡會先後受到干擾,先後產生位移,間距也就變了一下,干涉條紋就會發生變化。

為了信號的可信度,特別在遠處再造一個一模一樣的裝置,兩臺LIGO相距3000km。這樣可以避免任何地球本身的振動,對測量產生影響。而來自十幾億光年之外的引力波,哪怕是相距3000萬km,引力場也是非常均勻的,兩臺LIGO的測量波形將完美吻合。

美國總共花費5.6億美元,耗時16年,終於得到了如下的成果:

這個引力波來自十幾億光年之外的兩個黑洞相撞,兩顆黑洞的初始質量分別為14.2顆太陽和7.5顆太陽,合併成了一顆20.8倍太陽質量的黑洞,虧損的0.9顆太陽質量以引力波的形式釋放到宇宙空間。如此巨大的能量,讓我們目睹了0.25秒的琴絃擾動。

勝利屬於愛因斯坦的宇宙。

引力到底是什麼?

引力,彷彿亙古不變,不可屏蔽,不會轉向,執著的以恆定光速向外傳播,和其他三種基本力完全不同。

引力也是目前為止我們這種三維空間生物超越時空的唯一希望。例如,面對黑洞,時空物理規律都被破壞,唯獨引力一如既往向外傳播,連黑洞都被它無視。

可惜,原理機制仍舊是瞎。但好歹愛因斯坦為我們指明瞭方向。

結語

我們好像知道了很多,其實我們或許根本一無所知。能夠觸摸到宇宙最深奧秘的邊緣,人類必須全力以赴。


貓先生內涵科普


引力,四大基本力之一,也是唯一一個和其它三種基本力無法統一的力。

引力的完整研究最早始於牛頓。據說牛頓式因為坐在蘋果樹下思考,被一個蘋果砸到頭,於是乎靈光一閃,想到了萬有引力這個概念。之後,僅僅圍繞這個思路,牛頓經過大量的數據測量和天文學觀察,發現了萬有引力這個創世紀的定律。在牛頓的時代,大家並不知道引力是如何來的,只知道引力的公式如下:

F=GM1*M2/R^2

即物體的引力,和物體的質量以及物體的距離的平方的倒數呈正比。牛頓時代,能夠得到萬有引力已經十分不易,我們也不必對其嚴苛要求,非要找出引力因何而來。直到愛因斯坦橫空出世,以迅雷不及掩耳之勢相繼提出狹義相對論和廣義相對論,人們才真正意義上破解引力來源之謎:

即引力是空間的幾何彎曲而產生,本身可以說並非是一種“力”,而是一種空間扭曲的幾何效應而已。就像是一個處於海綿上的小球,可以把海綿壓的凹陷下去。而小球周圍由於海綿凹陷,再放置其它東西,就會有落向小球的傾向。這就是萬有引力的一個簡單解釋,當然,更為深刻和複雜的解釋,我們就的看廣義相對論的場方程了。

由於引力是空間的幾何效應產生,所以廣義相對論還預言了一種特殊的空間波,即引力波。這種引力波是空間的聯繫壓縮伸展產生的一種波動,十分神奇。在牛頓時代,人們根本無法想象空間竟然可以發生擾動,這簡直是顛覆認知的。

不過,宇宙就是這麼神奇,我們人類就如螻蟻一般,在一個彈丸之地生存,天天為了房子車子而奔波著。


科學探秘頻道


引力是自然界四大基本作用力之一,除此之外還有強力、弱力、電磁力,但是引力從本質上討論與其他三種“格格不入”,其他三種基本作用力都可以用量子力學來從本質上解釋,力的作用過程可以看作是基本粒子的交換過程。

例如:電磁力的媒介子是光子;強力主要是束縛原子核的作用力,不讓質子、中子、夸克等跑出來,強力的媒介子就是膠子(規範粒子);弱力簡單的理解就是粒子的衰變,比較典型的就是β衰變,由於自由中子不穩定,它們的壽命大約為15分鐘。中子衰變時會釋放一個電子和一個反中微子最後變成質子,弱力的媒介子是玻色子。

上邊說的幾種基本粒子都屬於粒子物理標準模型中的粒子,但是唯獨解釋引力的時候提出引力子無非自洽,引力子至今是一種假說尚未被發現。但是引力卻可以通過愛因斯坦的廣義相對論來解釋,廣義相對論的核心就是時空彎曲。而引力就是時空彎曲的外在表現,引力波被認為是時空漣漪也在2016年被科學家發現觀測到。

目前來看時空彎曲是引力最好的本質解釋,時空像一張有彈力的薄膜有質量的物體放上去自然會讓時空發生彎曲。對於四大基本作用力不能統一解釋也是相對論和量子力學的矛盾點之一。 萬有引力雖然最早由牛頓發現,但是牛頓並沒有從本質上解釋萬有引力,而廣義相對論對於引力的解釋重新修訂了萬有引力公式,讓我們對於引力的描述越來越準確。

但是這是最準確的描述嗎?目前來看是的,但是隨著科學理論的發展是否會有新的理論出現能更好的描述引力也說不定。至少弦論中的M理論可能有這方面的潛力,統一相對論和量子力學。



科學黑洞


在牛頓之前,人類的世界觀是神的世界,認為天體的分佈和運行都是根據上帝的旨意安排的。

拋開意識形態的爭執,當時人類認為,世界的現狀是一直存在著的,並沒有追究與探尋導致天體現狀的原因與具體的物理機制。

到了牛頓時代,牛頓藉助引力的機制,解釋了行星為何會圍繞著太陽🌞在橢圓軌道上運行。然而,牛頓並沒有進一步給出產生引力的具體機制。

1916年,愛因斯坦發表了廣義相對論,通過將兩個不同概念的引力質量和慣性質量等同起來,使物質與空間建立了相互聯繫。

於是,愛因斯坦將物質之間的引力歸結為空間的變形,即空間彎曲。不過,作為唯象型理論,愛因斯坦在廣義相對論中依然沒有說明引力引起空間彎曲的物理機制是什麼,甚至都沒有說明空間是由什麼構成的。

又過了十年,藉助普朗克常數h,玻爾等人建立了量子力學。他們發現,所以物體都具有波動性。

這意味著,在我們的宇宙中,存在著統一且不連續的物理背景,即宇宙是由無數個離散的基態量子構成的。

又由於原子的體積只是由電子高速運動所產生的屏蔽效應形成的,所以物質是由高能量子組成的封閉體系。

由於封閉體系具有概率性,因而任何物質的封閉性是小於1的。

於是,作為封閉體系的物質都會對其物理背景即量子空間產生熱輻射☢️,使該物質臨近的量子空間形成熱的梯度分佈。

於是,兩物體之間的空間溫度會略高於它們外側空間的溫度。

由於空間的溫度與物體的封閉性成反比關係,所以量子空間對兩物體外側的量子碰撞💥多於對它們內側的量子碰撞。由此產生的壓力差,導致了兩物體的相互接近。這就是產生萬有引力的物理機制。

根據這一量子碰撞的引力機制,可以避免萬有引力公式中的距離為零,引力出現無窮大的弊端。

根據計算,空間量子之間的距離為2.913x10-14釐米。當兩物體的距離小於這一距離時,就失去了量子空間的壓力,引力以指數的形式迅速衰減為零,即當作用距離小於空間量子間距時,引力就不再存在了。

總之,如果空間是由離散的量子構成的,物質是由高能量子組成的的封閉體系,那麼量子空間的不對稱碰撞,是產生引力的物理機制。


淡漠乾坤



早在1687年牛頓就對自然界的運動現象做出來描述,他提出萬有引力和三大運動定律奠定了物理科學界的基礎。他的理論認為,世界上的物體都存在一種相互吸引的引力。質量越大的物體引力就越大,包括我們人本身也是有引力的,只是我們自身的引力太小,被宇宙中大型天體的引力給中合了。



牛頓認為引力是憑空產生的自然規律 ,是宇宙剛誕生出來就具有的。而在牛頓之後,愛因斯坦又在相對論中提出了引力場論,該理論認為宇宙中存在引力場 就比如說太陽,太陽因為自身質量太大所以導致了空間的扭曲,或者說每個物體都會扭曲空間,其扭曲的程度看質量大小而議,質量越大,扭曲程度就會越大。

這種引力場論近年已經被NASA發射的引力場探測衛星所證實了。引力場衛星的探測錐在太陽引力場的影響下發生了偏移。而引力場還說明了一個問題,那就是引力場可以扭曲折射光線,這也是光不能從黑洞裡逃出來的原因。

愛因斯坦的引力場可以實用於宇宙天體大的方面。而牛頓的萬有引力則實用與於小的方面。兩者並不衝突,都是對自然界的描述。
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時間史


引力的本質就是電力!引力是上帝用打破電荷對稱平衡換來的。也是一種宇稱的破缺,既等量異種電荷之間的吸引力要比等量同種電荷之間的排斥力略微大一點點,一點點!這樣兩個看似電中性的原子之間就有了微弱的吸引力,大量的原子壘集起來引力就很可觀了,雖然每個原子的外層電子跟原子核帶的電荷大小相等極性相反,但是由於電力的失衡導致中性原子之間電荷吸引力跟拍斥力不能完全抵消。這失衡的過剩的電力就表現為引力!參與萬有引力的粒子都是包含電荷的,包括中子內部也是由帶電的夸克組成的。那為什麼不說磁力呢,這個我以前講過,磁力是電荷相對運動以後增強的電力,(兩個同種電荷相互運動以後排斥力就比靜止時增強了,兩個異種電荷相互運動以後吸引力也比靜止時增強了)增強的這一部分就表現為磁力。用這條規則輕鬆解釋為什麼通了同向電流的導線是相互吸引的而真空中同向飛行的電子流是相排斥的。磁場跟電場的關係好比是空氣跟風的關係,物體跟空氣一相對運動,迎風面的氣壓就會增大就有阻力,這就是風。

以上是微觀上的。宏觀上引力是宇宙加速膨脹的後座力了!當兩個人背靠背同時向相反的方向開槍時他們的後背就會緊緊貼(吸)在一起。因為子彈在火藥膨脹力的作用下加速向外飛去。上帝就是這樣巧妙設計的宇宙!本文原創


手機用戶前途無亮


物質是沒有意識的,不會產生吸引力,在微觀世界裡,每個微粒都在振動,都儲存有暗能量,每個粒子都是宏觀物體的內能儲備者,我們把這種振動叫做波動,也就是宏觀物體都通過內部粒子向外輻射著能量波,也就是黑體輻射,黑體輻射也就是暗物質傳遞,傳播著物體內能的信息,黑體輻射在各種客體中來回的反射著,宏觀物體內部的粒子通過暗物質,相互碰撞交換著能量,形成動態平衡,這就是物質波,物質都是通過微粒波動相互轉化能量,保持動態平衡,但是並不能產生能量壓力差,不能形成兩個物體向中間靠攏的運動趨勢,那麼這種自然的引力現象到底是怎樣產生的呢?我們知道,宇宙空間充滿了暗物質,其實這些暗物質就是以太,光的傳播介質,以太就是由許多光子組成的以太體,以太是介質,從宏觀的視野看,以太整體是相對靜止的,就如一塊固體,不動時,是相對靜止,但是內部分子則是在振動的,分子的動能就是固體物質的內能,內能也稱熱振動,以太內部的光子,也就是暗物質,光子所具有的動能就是暗能量,這些暗物質~光子,就是物質黑體輻射的介質,物質波通過光子產生熱輻射和反輻射,也就是反射現象,你瞭解了物質間的微觀輻射的道理後,再去思考引力現象就很容易了,我們知道,恆星就是核彈爆炸,把產生的熱能以光輻射的形式把能量向宇宙空間四處散射,光線又是以直線傳播的,能量流是以光束向空間推進的,遇到物體就會產生影射現象,並且產生影射面積,對物體產生輻射壓,當兩個物體靠近時,兩個物體相互產生影射面積,這個影射面積與兩個物體的距離有關,距離越遠,產生的影射面積就越小,距離越近,產生的面積就越大,產生的輻射壓力就越大,兩個物體受到的輻射壓力形成壓力差,於是兩個物體就產生了力不平衡,向中間運動,這就是產生的引力現象。


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