引力為何與距離的平方成反比?為什麼離質量源越遠引力就越小?平方反比有何特殊意義?
幾個世紀以來,牛頓萬有引力是描述引力最成功的理論。牛頓認為宇宙中的每一個質量物體都會互相施加一種神乎其神的力,這種力的大小與兩個物體的質量成正比,與它們之間距離的平方成反比。牛頓萬有引力定律告訴了我們:任何質量系統在引力作用下的行為。
那麼引力為什麼滿足與距離平方反比的關係?首先看一下我們所處的太陽系。
太陽是太陽系中質量最大的天體,幾乎所有已知的物體,從行星到小行星和大多數彗星都繞著太陽以圓形或橢圓形軌道運行。不管是圓形,還是橢圓形,它們有一個共同點:都是穩定的閉合軌道,這就意味著繞太陽運行的天體,在一個周期後就會回到與開始的相同的位置。
單從數學上來說,我們知道所有的力都是矢量,這意味著力有大小還有方向。以我們的太陽係為例,作用在每個天體上的力,其方向近似地朝向太陽的中心。
如果想讓天體圍繞太陽的軌道是閉合的,我們只有兩個選擇!一個是:有一個力遵循平方反比定律(引力就是這樣);另一個是:有一個力隨距離線性增加(彈簧就是這樣)。其實平方反比和線性增加一樣,沒有任何特殊性,伯特蘭定理就證明了在經典力學裡要想形成穩定的閉合軌道,以上是唯一的兩種可能性!而且伯特蘭定理在廣義相對論下並不成立,下文會說到。
所以根據伯特蘭定理,引力會隨著距離的增加可能會變強或變弱,但只有一種特定的方式是正確的,否則在經典力學下天體就不會有穩定的閉合軌道。
生命的存在需要有穩定的軌道和適中的溫度,我們確實很幸運,因為這些是控制我們宇宙的法則!
而且確實有一些力,隨著距離的增加力就會增加,強力就是一個很好的例子!甚至還有一種力,它沒有方向且均勻地滲透到了整個空間,在任何地方都是恆定的,這就是暗能量!
廣義相對論下,沒有閉合的引力軌道
如果我們現在還說引力是一個與距離的平方成反比的力是不嚴謹的。因為在太陽系中有一個天體軌道顯然不是閉合的,這就是廣義相對論這個現代引力理論取代牛頓引力的原因!
水星的軌道在進動,或者說不閉合,這是第一個強烈暗示我們關於牛頓引力理論有缺陷的現象。花了大約半個世紀的時間,愛因斯坦的廣義相對論才代替牛頓引力解決了這個問題。我們也從中認識到,引力並不完全遵循平方反比定律。當涉及到的距離很大,質量和能量很小的時候,牛頓的引力只不過是廣義相對論的近似值。
廣義相對論也提出了一大堆已經通過實驗和觀察得到證實的預測,包括光的引力彎曲,引力透鏡,引力紅移以及許多許多其他的預測。
其與引力強度相關的預測是:所有軌道上的天體嚴格來說並不遵循平方反比定律。
在廣義相對論下,質量物體在引力場中速度的變化會產生引力輻射,引力輻射和電磁輻射一樣會帶走軌道能量。如果按照牛頓引力的話來說,就是軌道上的引力比平方反比定律略強一些,這意味著天體的軌道會隨著時間的推移而緩慢的衰減。最內層的行星軌道首先會衰減,其次是外層行星。最終,一切天體都將螺旋靠近軌道系統中心的引力源。
總結:距離的平方反比和真實的引力強度並沒有直接的關聯性
如果太陽的壽命是無限的,那麼地球的軌道大約需要10^150年才會衰減到撞向太陽,雖然這種效應對我們沒有任何影響。但這意味著一個真正穩定、閉合的軌道只是牛頓引力的幻影,一個在真實宇宙中並不存在的東西!
在一個受廣義相對論支配的宇宙中,廣義相對論是我們用來描述引力的最好的自然法則。在弱引力場中(當質量小而距離大)廣義相對論可以被證明為牛頓引力,這就是平方反比定律與距離的由來!這也更加說明了平方反比定律跟引力並沒有很強的關聯性,也沒有什麼特殊性,畢竟它在某些情況下並不成立。
但如果要問:為什麼廣義相對論是支配宇宙的引力理論?我估計沒人能回答這個問題。一個標準的逃避式回答「自然法則要求引力就是這樣的!」。