引力場

引力場

引力場是描述物體延伸到空間中對另一物體產生吸引效應的理論模型。現代觀點認為引力場是物質在空間中產生的空間彎曲效應,物體在該彎曲空間內運動時表現出在直角空間中的運動狀態改變,從而體現出引力效應。在牛頓力學的經典理論框架下和愛因斯坦的廣義相對論理論框架下均有對引力場的定量描述。然而,通過現代觀測手段發現宇宙中星際物質的運動與現有理論存在不相符的現象,因此引入了“暗物質”和“暗能量”的概念,來彌補原有理論和實際觀測的差距。儘管學術界針對暗物質和暗能量的可能的量、分布和屬性已經著手研究,但它們仍然是未知大於已知,且尚未完全證實的概念。

簡介

牛頓在經典力學體系中使用萬有引力定律描述物體之間的引力作用,而這種相互作用的特殊性在於僅與物體的質量和物體間距離相關。在萬有引力定律中,引力被描述為空間中任意兩個具有質量的物體之間的點對點相互作用(見引力)。而實際上,引力並不是兩個物體間實質性的吸引相互作用力,而是一個物體所具有的物理性質對另一個物體的運動產生的影響,這個物理性質同時也是一個物理量,能夠用定量的理論來進行刻畫和描述,這就是引力場理論。

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於粒子——即所謂的超距作用。場論最先是由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在19世紀提出來描述電磁現象的,與之前不同的就是,場論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。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。愛因斯坦認為空間是物質所具有的一種屬性,而在具有質量的物質附近,空間是彎曲的,而黎曼幾何被成功的套用於廣義相對論中,用來將彎曲的空間幾何化,並能夠將對引力場的理論描述精確定量化。廣義相對論的理論體系建立之後,科學家通過對天文現象的觀測驗證了其有效性和準確性。

就在人們認為廣義相對論已經精確的描述了我們所認知的宇宙空間時,在20世紀70年代初,科學家觀測宇宙其他一些星系中的恆星運行速度時就發現,越遠離核心的星系,其繞中心鏇轉的速度並不都是衰減下去,而是具有和內圈恆星相似的速度。這個現象與越往外物質越少,引力也越小,速度也應該越低的常規不符。科學家們大膽地猜測:宇宙中一定有某些物質沒有被我們的天文觀測所發現,這些物質被稱為“暗物質”,能夠提供額外的引力場。

20世紀末,哈勃太空望遠鏡的觀測結果支持了宇宙經歷了減速膨脹到加速膨脹的階段,而這一現象在廣義相對論中對應於愛因斯坦所提出了宇宙常數不為零的情況,科學家因此提出了“暗能量”的概念,認為是這一部分能量使得廣義相對論能夠準確描述宇宙的膨脹行為。

暗物質與暗能量儘管在某種程度上彌補了廣義相對論和天文觀測之間的差距,但對它們的未知仍然遠遠大於已知,這也許是物理學和天文學進一步發展的潛在突破口。

動力

科學家們一再通過各種的觀測和計算證實,暗能量在宇宙中占主導地位,約占73%,暗物質占近23%,我們所熟悉的物質僅約占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鏇渦型的,所以,暗能量必定以一種鏇渦運動的形式存在,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鏇渦場,我們稱之為暗能量鏇渦場,簡稱為鏇渦場。

鏇渦場存在如下三種狀態:膨脹、收縮和平衡。當太陽系鏇渦場處於膨脹狀態時,所有的行星都會遠離太陽而去。當太陽系鏇渦場處於收縮狀態時,所有的行星都會向太陽靠近。當太陽系鏇渦場處於平衡狀態時,行星繞太陽運動的狀態就會保持不變。就這情況來看,太陽系鏇渦場處於平衡狀態。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

引力場引力場

既然太陽系的運動是由暗能量來推動的,那么

,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。由於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。

Vn與太陽系中暗能量的分布有關,它等於4293.40米/秒。由於太陽系鏇渦場處於平衡狀態,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”。把數據代入動能公式,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。但對於不同的引力場,G3值是不同的。所以,公式(1)實際上就是關於引力F和距離R的關係方程式,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。只要地球不消失,地球引力場就會永遠存在。

當物體在鏇渦場內運動時,物體的質量相對於星體來說要小到忽略不計。如果物體的質量很大,它的運動對鏇渦場的動力平衡產生很大的影響,那么,鏇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於同一高度,讓它們自由落下地面。如果它們同時到達地面,那么,就可證明自由落體到達地面所需的時間只與引力場有關,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,即支持鏇渦場理論,也支持著萬有引力的理論

向心力

以太陽係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。

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”。化合引力場實質上只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。金屬原子結構的特徵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)遠遠大於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,這是為什麼?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”,由於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,那么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,那么在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)遠遠小於正、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。由於正離子的引力場強,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於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鏇相反的成對電子,這些負電子都有相同的左右引力場和左右反引力場,之所以看上去自鏇相反,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,就象兩個人分別處於直立態和倒立態。

在分子中有一種規律,即大質量的原子居於分子的核心(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,這是為什麼?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,它存在於所有的分子之間,是一種吸引力,沒有方向性和飽和性,作用範圍約幾百pm,屬於長程作用力。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。

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