為什麼作用力和反作用力總是大小相等,萬有引力有反作用力嗎?

2020-12-13 艾伯史密斯

萬有引力的反作用力當然也是萬有引力,在牛頓力學下,作用力和反作用力是同一類型的力,並且總是大小相等,方向方向,作用在一條直線上,同時產生,同時消失。但是在相對論力學中,牛頓第三定律就具有局限性。

牛頓第三運動定律

在17世紀,牛頓提出萬有引力定律和牛頓運動三大定律,奠定了經典力學的基礎,其中的牛頓第三運動定律,就是描述相互作用的兩個質點間,作用力和反作用力的關係。

比如地球對月球產生的萬有引力,提供了月球繞地球運轉的向心力,同時月球對地球也有吸引力,其大小與前者相等,兩個力相互作用,使得月球和地球本質上是繞著一個質量中心旋轉,這個質量中心大約距離地球幾何中心4000公裡處,處於地面之下。

又比如我們站在地面上,會受到地球的吸引力,吸引力的分力就是我們的重力;理論上,我們也會對地球產生吸引力,但是由於地球質量比我們大很多,所以我們對地球的吸引力並不會對地球產生明顯影響。

相對論力學

那麼我們來考慮一個極端情況:一顆行星繞著一顆紅超巨星運行,行星軌道半徑15億公裡(1.4光時),在某一時刻,紅超巨星發生超新星爆炸而解體,但是超新星對行星引力的影響,要在1.4小時後才到達,那麼請問,在這1.4小時內,行星受到恆星萬有引力的反作用力是什麼?

分析:此時引力變化還未傳達到行星,行星還是照樣公轉,照樣受到一個引力作用,但實際上此時恆星已經不存在了,那麼這個反作用力在哪呢?或者說此時作用力和反作用力還是同時的嗎?

其中的關鍵,還是牛頓力學認為萬有引力的傳遞是瞬時的,而相對論認為萬有引力的傳遞是光速,一旦我們在相對論層面考慮相互作用,更多的是結合「場」的概念來理解,場是物質形式的一種,它真實存在,具有質量和動量。

萬有引力能激發引力場,電荷能激發電場,同時,場可以傳遞相互作用,並且以光速運行,有了場的概念後,我們就能解釋超新星中作用力和反作用力的難題。

作用力和反作用力的本質

在相對論中,牛頓第三定律顯然具有局限性,說明牛頓第三定律並不是物理學的深層定律,那麼更深層的物理原理又是什麼呢?

我們在學習牛頓力學時,會遇到這麼一個有趣的結論,就是動量守恆定律根據牛頓三大運動定律(準確地說是用到了牛頓第二定律)推導出來的,但是動量守恆定律的適用範圍比牛頓三大定律的範圍廣。

甚至動量守恆定律不僅限於牛頓力學,在相對論力學和量子力學同樣適用,以至於微觀、宏觀、低速和高速的任何情況下都適用,實際上動量守恆定律就是我們世界的基本定律之一。

力是動量對時間的微分,動量是守恆的,對於兩個質點之間的相互作用,我們很容易推導出力總是成對存在,並且兩個力總是大小相等,方向相反,並且具有同時性,也就是牛頓第三定律,所以說牛頓第三運動定律的本質其實就是動量守恆定律,根據諾特定理,動量守恆則是空間平移對稱性導致的。

理解這點之後,我們就能很容易解釋超新星和行星之間的相互作用了,紅超巨星激發的引力場會攜帶動量,速度是光速,超新星爆炸的作用傳到行星之前,其實是之前的引力場攜帶動量在和行星發生相互作用,於是就解釋了牛頓力學中作用力和反作用力不同時的問題。

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