牛頓萬有引力定律是近現代物理最偉大的發現之一,在19世紀時人們普遍把經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學作為經典物理理論體系的3大支柱。如果將物理學截至目前的所有理論放在一起,萬有引力的發現也將會與相對論和量子力學齊名,它有力推動了近現代物理學體系的健全和科學技術的發展,對人們深入探索宏觀世界的發展演化規律提供了不可或缺的科學依據。
按照萬有引力定律,任何有質量的物體之間都會產生相互的吸引作用,其數值大小與它們的質量乘積成正比,與相互之間的距離平方成反比,表達式為:F=G*M*m/r^2,其中G為萬有引力常數。兩個物體當距離逐漸加大時,按照此公式我們可以明顯看出它們之間的萬有引力會衰減得很厲害,那麼,如果過程反過來,將兩個物體無限靠近,它們之間的引力能否變為無窮大呢?
根據科學家們長期的研究發現,宇宙中存在著4種基本作用力,即強核力、弱核力、電磁力和引力,截至目前,前三種力都發現了力的傳輸介質,分別為膠子、W和Z玻色子、光子,這三種力也是微觀世界中佔據主導作用的力,並且通過科學家的努力,這三種力實現了統一。然而引力卻比較特殊,截至目前,還沒有發現引力的力傳輸介質,也沒有將引力和其它三種力實現「大一統」。不過,隨著廣義相對論研究和應用的逐步深入,特別是引力波的發現,為我們進一步深入揭示引力的本質奠定了堅實的基礎。
引力作為宇宙空間中最常見的一種力的作用形式,同時也是我們日常生活中無時無刻不在體驗著的自然現象,它的一些基本規律已經被科學家們所掌握,比如力的作用效果在四種基本作用力中最小、具有遠程性、傳播速度為光速等等。就單從計算引力的大小來看,我們在計算兩個物體之間的萬有引力時,是從確定兩個物體之間的質心出發,通過分別測算它們的質量以及質心之間的相互距離來實現的。然而,有質量的物體,其本身就會在空間中佔據一定的體積(除了黑洞的奇點之外),兩個物體相互靠近,也只是表面的貼近,實質上並未真正達到質心的無限靠近。
舉個例子來說,我們將兩個勻質的球體靠在一起,由於它們本身具有體積,也就是說質心與質心之間的距離,無法突破兩個球體的半徑之和,在這種情況下不可能使它們之間的萬有引力達到無窮大。那麼,我們直觀感覺如果減少球體的半徑,再相互靠近,是否可以使萬有引力逐漸變大呢?實際上也不行,因為球體的體積與半徑的立方成正比,球體是勻質的話,球體的質量與體積直接相關,也就是說球體的質量與半徑立方成正比,而萬有引力的大小僅與半徑之和(兩球體質心間的距離)的平方成反比。就也就意味著當我們減小球體的半徑時,其質量減小的程度,要明顯快於質心距離減小的程度,所以萬有引力不增反降。
如果我們再將球體的尺度放小,使之變為原子甚至更小的微觀粒子,那麼把它們靠近,其引力是否就無窮大了,估計又要讓你失望了。一方面,再小的微觀粒子,其體積也不是無限小,我們幾乎不可能實現兩個微觀粒子質心的重疊,它們之間總會有一定的距離,而且在微觀層面,這些粒子的質量非常小,因此萬有引力的數值也非常微弱。另外一方面,在微觀層面,粒子間的相互作用力,是以強核力、弱核力以及電磁力佔據主導的世界,拿強核力來說,兩個微觀粒子間的作用效果,在相同條件下,要比萬有引力數值大10^39倍,引力幾乎可以忽略不計。
除此之外,有些朋友或許還會想到另外一種方案,那就是提高物體的密度,使之在體積減小的情況下,質量並不會發生減小,這樣可以保障物體間萬有引力的提升。在這種想法之下,就會出現一個極端的情況,那就是使物體在空間上的體積完全壓縮到質心之上,形成一個體積無限小的結構,那麼在這樣的情況下物體的半徑就會趨向於無限小,兩個這樣的物體如果彼此靠近,萬有引力就可能變得無限大。
說到這,大家估計都會想到一種天體結構,那就是黑洞。按照愛因斯坦廣義相對論,有質量的物體會使周圍的時空產生彎曲,當這種彎曲程序達到一定極限時,就會使光線都無法逃脫,只能沿著這種極度彎曲的測地線圍繞黑洞的奇點運行。然而,即使是黑洞的事件視界之內,它所造成的時空彎曲程度也是有限度的,並非是無限曲率,因此掉入黑洞的物體,它所受到的引力也不可能達到無限大,只是無法再逃脫出來了而已。
綜合以上的分析,我們可以看出,無論是在宏觀世界還是微觀世界,兩個物體之間的引力不可能會達到無窮大的地步。特別是在微觀領域,萬有引力的作用效果並不明顯,甚至可以忽略不計。