收稿日期:2005—09—07作者简介:刘莉华(1957—),女,山东胶州人,中学一级教师。
对万有引力定律及引力理论的几点思考刘莉华1,苑 闻2,孙任德1(1.山东胶州第六中学, 山东 胶州 266300;2.山东教育学院数理系, 山东 济南 250013) 摘要:本文讨论了万有引力定律对库仑定律建立的影响,并论述了万有引力的特殊性;探讨了现代引力理论的发展方向。
关键词:万有引力定律;牛顿经典宇宙观;库仑定律;现代引力理论中图分类号:O314 文献标识码:A 文章编号:1008—2816(2006)01—0133—02 牛顿万有引力定律的发现距今已有三百多年,纵观物理学的发展,万有引力定律不仅极大地推动了天文学的发展,奠定了天体力学的基础;也为经典物理,特别是牛顿力学树立了成功的范例;开启了现代引力理论的先河。
一、万有引力定律对静电学的启示———库仑定律18世纪中叶,牛顿力学已经取得辉煌胜利,人们受到万有引力定律的启发,对电力和磁力作了种种猜测。
比如,德国柏林科学院院士爱皮努斯(F .U .T .Aepin us ,1724—1802)假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大,对静电感应现象作出了更完善的解释。
1760年,D .伯努利也作了电力可能遵从平方反比的关系的富兰克林的空罐实验;苏格兰的罗比逊(John Robison )和卡文迪许(Henry Cavendish )曾经作过定量的实验研究,都没有得到明确的结论。
英国的化学家普利斯特利(Joseph Priestley ,1733—1804)明确提出了电的引力和万有引力一样,即力的大小与距离的平方成反比。
根据这种猜测18年后,库仑发明了扭秤,并用扭秤精确地测量电力和磁力,提出了库仑定律。
如果不是万有引力定律的发现,单靠实验具体数据的积累,还不知道到何年才能得到严格的库仑定律的表达式呢!其实,整个静电学都是借鉴和利用了引力理论的已有成果发展起来的。
二、万有引力定律的局限与现代引力理论的发展万有引力定律虽然为以后的天体力学提供了理论基础,但是当牛顿根据他的万有引力定律提出了他的宇宙模型时却遇到了不可克服的困难。
这就是众所周知的奥伯斯佯谬和引力佯谬。
问题出在牛顿的时空观和引力定律的超距作用。
关于时间,牛顿写道:“对的真正的数学的时间在流逝着而且由其本性而在均匀地与任何外界事物无关地流逝着”。
关于空间牛顿写道:“绝对的空间就其本性而言是与外界无关静止和永远相同的[1]。
在物理发展过程中,超距观点在以后二百多年间一直是物理界的主导观点,直到19世纪由法拉第提出并由麦克斯威在电磁理论中确立了近距观点之后,超距观点才逐步被人们所否定。
20世纪初爱因斯坦创立了狭义相对论,但是他认识到“在狭义相对论的框子里,是不可能有令人满意的引力理论的。
”于是1915年他提出了广义相对论。
广义相对论是人类的智慧奇葩,它有独立而完整的体系。
爱因斯坦依据人们熟视无睹的事实即牛顿第二定律中的惯性质量与万有引力定律中的引力质量相等提出了等效原理:惯性力场与重力场的动力学效应是局部不可分辨的。
这样在逻辑上就顺理成章地取消了惯性系的特殊地位,爱因斯坦把相对性原理推广到非惯性系,得到了广义相对论性原理:一切参考系都是平权的,客观的真实物理定律应该在任意坐标变换下形式不变———广义协变性。
为了用数学表达式描述这个原理,爱因斯坦在格罗斯曼的帮助下用黎曼几何和普遍的张量运算得到了广义相对论的场方程,并把原有的引力定律纳入了新理论中,使万有引力定律成为在弱引力情况下场方程解的一种数学近似。
这一新理论不仅成功地解释了在牛顿引力理论看来是反常的水星轨道近日点的进动而且预言了新现象听凭物理实践来检查。
广义相对论与牛顿的引力理论相比至少有以下不同:(1)广义相对论取消了惯性系的特殊地位,所有标系都是平权的。
引力是物质和能量的一种动力学效应;狭义相对论只不过是没有引力的一种特殊情况。
广义相对论是真正的时空几何统一的理论,牛顿的引力理论不过是广义相对论在弱引力情况下的一种数学近似。
2006年第1期 山东教育学院学报 总第113期(2)广义相对论建立了场方程。
这是继麦克斯威的电磁场以后场概念的又一推广。
场不仅是作用的中介,也是物质存在的基本形式。
这对20世纪物理学产生了十分深远的影响。
(3)广义相对论揭示了真实的空间不是平直的欧几里得空间,而是一个弯曲的非欧空间。
爱因斯坦说:我要指出空间—时间未必能被看作可以离开物理实体可以独立存在的东西,物体不是在空间中而是客体有空间的广延性,因此空虚的空间就失去了它的意义。
”[2]空间的曲率取决于物质的分布,引力不过是空间弯曲的动力学效应。
(4)广义相对论揭示了四维时空同物质的统一关系。
时空只是现象之间的关系,Hans Reichenhach指出:“一个物理理论选择什么样的时空结构与其自然定律的形式有关。
”[2]Wartofsky认为“时空点由发生在该点上的事件来决定”。
绝大多数物理学家彻底放弃了牛顿的绝对时空观更接近马赫的描述主义立场。
总之广义相对论是关于宏观的时间、空间和物质运动基础理论体系,它比牛顿力学、狭义相对论更深刻和普遍。
然而广义相对论在20世纪的物理发展中经历了耐人寻味的过程。
广义相对论成功地解释了水星的运动,并且在1918年发生的日全食的观测中看到了理论所预言的光线在掠过太阳表面发生的弯曲。
这一切确立了广义相对论在物理学中的地位。
但是由于新理论与万有引力定律的差异在地球引力场中并不明显,加之广义相对论所涉及的数学工具十分繁杂,广义相对论在20世纪30～40年代很少有人问津。
这与同时期量子力学和核物理的蓬勃发展形成了鲜明的对比。
直到60～70年代现代宇宙学和黑洞理论的发展才使这一局面有了改观。
20世纪60年代天文学的四个重大发现使一大批物理学家开始重新关注广义相对论。
20年代形成的白矮星理论使人们开始认识到在自然界存在着比地球上的物质的密度高好几个数量级的物质,这些物质构成了天体就是白矮星。
在这种天体上物质密度可以达到10的八次方以上。
在这样的引力场中牛顿的理论与广义相对论理论有显著差异,比如电磁波引力红移十分明显。
但是在白矮星内部量子效应产生的简并压力还可以抵抗引力,当白矮星的质量超过Chanrasehar上限再没有任何力可以对抗引力而一直塌缩下去时即成为一个黑洞。
J·H·Kerr在60年代得到爱因斯坦场方程一个解叫做克尔度规,它可以描述一个匀速转动球体的重力场,人们把这种黑洞叫克尔黑洞。
人们也开始注意到1916年史瓦西给出爱因斯坦场解的物理意义。
现代黑洞物理为广义相对论派上了大用场。
1967年又发现了中子星,加之J·H·Tal y对致密双星PS.R1915+16观察:发现这个中子双星的公转周期在变短,这给引力波提供了第一个令人信服的理论证据,证明了引力辐射的存在!这是广义相对论的光辉胜利(J·泰勒因此获得了1993年度的诺贝尔物理奖)。
这一切使20世纪后半叶广义相对论理论空前繁荣。
S·W·Hawking和R·Penrose在广义相对论风头正健时证明了奇点定理。
他们证明在广义相对论框架内不可能通过度规的选择和坐标的变换消除奇性[1]同时自然界厌恶裸奇点(这后一结论被叫作宇宙监督定则)。
使人们看到了广义相对论并不是一个在任何情况下都成立的普遍适用的理论,它有一定适用范围。
引力理论在20世纪后半叶提出一些新问题,比如引力常数G的问题。
早在1938年P·狄拉克就假定G不是常数而是随着时间减少,1974年T·Van·Flan根据19年的月球观测资料分析表明G是在慢慢减小。
[2]目前这是一个值得关注的问题。
引力理论还有一个不被人们注意但却无法回避的问题。
那就是万有引力定律至今在一米以内并没得到实验证明!实际上,万有引力与其他三种作用力有着重大的差异。
虽然它是自然界强度最弱的力,它和电磁力一样也是长程力;但是引力却不像电磁力那样有屏蔽效应。
引力是真正最终统治宇宙的力。
正如黑洞无毛定理所表明的那样在黑洞强大的引力场作用下落入黑洞的物质将仅保留其质量、电荷和角动量三个物征,其余的物理特征将消失殆尽。
另一方面广义相对论还对时间赋于了形态,奇点和黑洞使人们看到时间有起始也有终结。
关于时间有无起点最先是由现代宇宙学提出的,1964年三K背景辐射的发现使沉寂了三十多年的宇宙学进入了快车道,大爆炸宇宙理论成了标准宇宙学。
宇宙的起始涉及到时间的开端。
S.W.Hawking就认为在普郎克尺度下引力的性质并不知道,必须考虑量子效应[3]。
物理学家惠勒评论到:“在我们面临的原则性的深奥的课题之中再没有时间这一概念所带来的困惑更为严重的了…在非常小的尺度中量子理论否定了`之前'和`之后'这两个概念的全部含义”。
目前现代引力理论情况很类似20世纪前20年的量子论的情况,各种新理论之间缺乏协调并各自有自己的困难。
比如量子引力理论,试图将引力场像量子电动力学那样将电磁场量子化,也把引力场量子化。
但是在重整化方面,只是在无源场取得进展,而有其他物质存在的情况下都是不可重整化的。
杨振宁先生提出的规范引力理论可以解释广义相对论的三大验证,但在有源场下得不到牛顿近似方程。
在目前,惠勒霍金等人正在企图构建包含量子理论和广义相对论新理论体系———超对称超引力理论,试图将引力和基本粒子理论联系起来,但这仅仅是开始。
参考文献:[1] J.Herivel,Background to Ne wton”s Principlia,(1965),67.[2] 吴祥兴,卜宅成.现代科技概论[M].北京:世界图书出版公司,2002.[3] 方厉之.物理的质朴性[M].合肥:安徽科学技术出版社,1982,56.[4] J·韦伯刘.广义相对论[M].北京:科学出版社,1965,451.·134· 刘莉华等:对万有引力定律及引力理论的几点思考 2006年第1期 。