萬有引力常量反覆測量不“常”咋回事?新常量公式詮釋引力本質

一、萬有引力常量的歷史

1687 年牛頓在於《自然哲學的數學原理》闡述了萬有引力定律:指出任意兩個物體的引力大小與它們質量的乘積成正比,與它們距離的平方成反比。

但是,牛頓在推出萬有引力定律時,並沒有推算出引力常量 G 的數值。直到1789 年由卡文迪許利用他所設計的扭秤實驗測出的引力常量為:

6.74×10-11 m3/(kg·s2)

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二、萬有引力常量的測量總是不“常”!

從卡文迪許測量以後,不斷有科學團隊進行引力常量的精確測量,我們來看引力常量的測量歷史和精確值:

科學家保羅·海勒在上世紀30年代,測量G值為6.67×10^-11 N/kgm;

1940年,保羅·海勒改進實驗測得為6.673×10^-11 N/kgm;

1998年,巴格利和路德的團隊實驗測得為6.674 x 10 ^ -11 N /kg/ m;

我國的引力常量實驗團隊分別獨立測量得到的結果為:6.674184 × 10^-11 N/kg m和6.674484 × 10^-11 N/kg m;

總之,隨著時間的推移,雖然儀器越來越先進,實驗越來越精確,但各個團隊在不同時期和不同實驗室測定的結果總是不一致,不確定性從0.1%到0.05%之間。

特別是在1998年,世界多個團隊使用不同的方法,得到的G值在0.15%的水平上相互衝突,令人大跌眼鏡。

自卡文迪許測得引力常量到現在,已有200多年了,人類的科技水平和物理學測量水平已非同往昔,很多物理常量都已經測得非常精確,唯獨引力常量值的測量方法,依然停留在最初的卡文迪許實驗中使用的扭稱實驗,而且到今天為止,引力常量的精確值也沒有取得實質性的更精確而令人滿意的結果。

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三、天體運動新的物理原理的數學公式

G值在不同時期、不同地點和不同的團隊,總是無法得到確定的統一精確值,G值測量的不確定性和變量性,讓人們除了懷疑測量結果存在誤差和人為的主觀因素之外,也讓更多的人懷疑G值本身就是不“常”。

引力常量的不“常”,是否意味萬有引力定律被證偽?是不是有新的引力理論或常量計算公式?這些懷疑促使人們不斷研究和探討,新的理論和公式也不斷被推導出來。

下面我們來看新的引力常量公式推導,從逃逸速度公式出發,一步步推導出引力公式和引力常量公式,這些公式的詳述推導和證明要關注作者,參讀《天體運動新發現的10個數學原理》的文章。

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1:逃逸速度公式

自轉天體任意處的順自轉逃逸速度Vt和該點的自轉線速度V1的平方和,總等於兩極逃逸速度V0的平方。

即:Vt^2+V1^2=V0^2 (3.1.1)

顯然,V0作為自轉天體的兩極逃逸速度是一個定值,稱為逃逸速度常量,每一個不同的自轉天體具有不同的逃逸速度常量,如地球的逃逸速度常量可以計算得出:

V0≈11.2km/s (3.1.2) (推導和計算公式參考作者相關文章,此略)

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2:重力加速度的數學公式

自轉天體內外任一處的重力加速度g,等於該點逃逸速度Vt的平方與其2倍質心距離d的比值。

即:

g =Vt^2/2d (3.2.1)

把上面的(3.1.1)代入(3.2.1)有:

g =Vt^2/2d =(V0^2-V1^2)/2d (3.2.2)

質心是指天體的質量平衡中心點,或天體旋轉的平衡重心,下同。

在重力加速度公式中,由於V0是常量,所以,重力加速度的大小是與天體自轉線速和質心距離有關變量。

那麼,根據牛頓理論,質量為m的物體其重力G=mg,

根據上述的重力加速度公式,就有新的重力公式:

G=m(V0^2-V1^2)/2d=mVt^2/2d(3.2.3)

由此可見,物體的重量大小是與所在天體的自轉線速度和質心距離有關的變量,表明物體的引力大小與天體的自轉有關,與質心距離有關,與逃逸速度有關。

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3、逃逸動能與引力勢能的平衡方程

自轉天體的任意地點的逃逸速度Vt的動能Ed,與該地點的引力勢能Ey是一對平衡方程,引力勢能等於物體的質量m、該處的重力加速度g和該地點到天體質心的距離d的乘積。

於是有:Ed=Ey,即:

1/2mVt^2 =1/2m(V0^2-V1^2)=mgd (3.3.1)

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化簡可得:

Vt^2 =V0^2-V1^2=2gd (3.3.2)

g =Vt^2/2d =(V0^2-V1^2)/2d (3.3.3)

這裡其實就是:對前面的逃逸速度公式(3.1.1)和重力加速度公式(3.2.2)進行了推導和證明。

這個平衡方程的意義在於:引力的本質是天體自轉的引力勢能效應,或者說是自轉動能的能量轉化效應。

引力作用來自引力勢能的能量作用,即是先有引力勢能,然後才有引力作用,而不是牛頓理論的引力是無中生有的超距引力存在,即先有引力作用,然後才有重力勢能。

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4:共核公轉的數學原理

在不受其它外體系干擾的前提下,繞同一核心公轉的多個天體,其軌道半徑R(兩天體的質心距離)與速度V的平方的乘積總等於共核公轉常數q。即:

R1v1^2=R2v2^2=R3v3^2=…q(3.4.1)

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例如:在太陽系中,所有行星和衛星,包括太陽在內構成一個共核公轉系,而每個行星的公轉半徑與速度平方的積都是相等的,是同一個常數。

這個公式表明共核公轉的天體的軌道半徑和速度都遵守共核公轉原理,是天體公轉性質和天體公轉法則,是天體運動相關聯、相影響的平衡方程。

在共核公轉中,把V^2R=q叫做共核公轉常數。這一引力常數可以看成是公轉天體的束縛,即公轉引力關係。

以上四個公式將證明:引力不是牛頓意義上的超距力,引力是天體旋轉(自轉和公轉)的結果。天體旋轉停止,引力將不復存在。

因為天體包括天體上的一切物體總是與生俱來同時參與旋轉,具有相等的旋轉動能效應,所以,引力是旋轉天體的旋轉動能的慣性效應,與旋轉同生共滅,這樣,引力傳播不需要時間,無需媒質,無法屏蔽,具有同時性。

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四、引力常數為什麼不“常”與新的引力常數公式

1、卡文迪許實驗測量的引力常數不“常”的原因

卡文迪許根據牛頓的萬有引力定律測算出的引力常數為:

G=6.672*10^11N.m^2/kg^2(4.1.1)

事實上,這個常量是物體內部粒子旋轉產生的引力常量,僅僅表示物體內部粒子旋轉運動所產生的引力關係,由於粒子的旋轉,物體與物體之間,在一定距離內表現為引力,而接近時表現為斥力。

因此,用實驗可以驗證得到以下結論:

在卡文迪許實驗中,改變兩個小球的元素種類、質量、距離、密度、包括時間和地點,都會得到不同的實驗數值,卡文迪許實驗永遠得不到引力常數完全相同的確定值,即這個引力常量不是一個“常”量。

這不是因為測量誤差,而是因為粒子的引力常量,與多種因素有關,而不是牛頓萬有引力公式所確定的只與質量和距離有關。

物體與物體之間的引力表現為物體內部的粒子旋轉引力,不同元素的原子旋轉的引力常量是不相同的,其引力極限邊界值也是不等的,同時還受到地球旋轉的引力干擾,這是卡文迪許的引力常量“不常”的原因。

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什麼是引力極限邊界呢?以地球自轉為例來說明地球自轉引力極限邊界。

自轉天體的引力極限值的計算推導如下:

根據牛頓理論,質量為m的物體其重力公式是:G=mg,

因為前面推導的重力加速度公式:

g =(V0^2-V1^2)/2d=Vt^2/2d(3.2.2),

於是:

G=m(V0^2-V1^2)/2d=mVt^2/2d(4.1.2)(V0為常量)

這表明,物體的重力(引力)大小是與物體質量、天體的逃逸速度、自轉線速度和質心距離有關的變量。

當V0=V1時,g值為零,物體的重力為零,即表示為失重狀態。

以地球為例,當V1=V0≈11.2km/s,可以計算出地球的失重處與地球質心的距離d:

設地球任意兩點的自轉線速度是V1和V2,質心距離是d1和d2,因為任意點的自轉週期T是相等的,所以有:

2πd1/V1=2πd2/V2, 即有:

V1/ V2 = d1/ d2(4.1.3)

這是天體自轉線速度與質心距離的關係式。

若地球上有一處的自轉線速度是V1=0.465km/s,此處與地球質心的距離是d1=R=6400km,而當V2=V0=11.2km/s時,代入(4.1.3)得:

d2≈154150km(4.1.4)

這就是地球的引力極限值,表示此距離圈外就是地球引力的極限邊界,是地球引力失效的地方,即失重狀態。

這就是說:

在自轉天體的引力極限邊界內,自轉天體上的物體總是要受到其引力作用,例如人會被地球牢牢吸引住,蘋果會落地等現象。

但是,一旦超出引力邊界外,物體就會完全處於失重狀態,一個往上拋出的蘋果,如果被拋出引力極限邊界外,就不會再落下來。

那麼,粒子之間的引力一樣具有引力極限值,不同元素的原子的引力極限值是不同的,在卡文迪許實驗中的兩個小球改變距離到一定距離,引力就會消失,接近到一定距離就表現為斥力。

因此,卡文迪許實驗測量出的引力常數是物體粒子之間的引力常量,而不是天體引力常量,天體計算和運用這一常量是沒有適用價值的,只會得出不相符的近似天體數據,而不是精確結果。

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2:正確的天體引力常量有兩個:

A、自轉引力常量:等於兩極逃逸速度V0的平方和質心距離d的積,再與自轉天體質量m的比值。即:

G=dV0^2/m(4.2.1)

這是

天體自轉的引力常量,在天體引力邊界內的非公轉體系中適用。

例如:地球和地球上的一切物體、以及地球引力極限邊界內不繞地球公轉的物體,均適用地球自轉引力常量。

顯然,每個自轉天體的引力常量都是不同的。

B、公轉引力常量:等於天體公轉速度V的平方和兩天體質心距離R的積,再與公轉天體質量m與核心天體質量M之和的比值。即:

G=RV^2/(M+m)(4.2.2)

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這是天體公轉引力常量,是天體公轉的引力關係和天體法則,且不同的共核繫有不同的公轉引力常量,牛頓理論中放之四海而皆準的引力常量是不存在的。

以月球為例,月球處於地球自轉引力極限的邊界外,即月球不受地球自轉引力束縛,但月球要受到地月系公轉引力束縛。也就是說,月球繞地球公轉和蘋果落地是兩種不同的引力作用,而不是牛頓理論中通用的萬有引力定律。

要明確說明的是:

自轉天體上的物體所受到的引力,是自轉動能轉化為引力勢能的能量效應,先有引力勢能,後有引力作用,而不是相反,其本質是自轉作用下的結果。

而天體公轉所受到的引力,其本質是共核公轉系整體自轉和公轉的動能效應,是天體公轉作用下的結果。

這是兩種完全不同的引力作用,而不是牛頓意義上的萬有引力作用,牛頓理論中超距的萬有引力作用是不存在的。

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