重力的物理學意義是什麼?兩大陣營對重力定義的爭論

在通常語境中，重力是指我們肌肉在被迫支撐身體的重量時的一種肌肉緊繃狀態，也被稱作當身體下沉時所能察覺到的一種感受。但這裡並不是說在疲倦時的緊張狀態。我們說的緊張，在某種程度上，是由於我們身體的重量。在物理學開始於這個「非物理學」重力的日常意義，然後在數學和物理上讓它變得更加清晰且可量化。

但在那時，物理學家們分成了兩個陣營，我叫它們 「接觸陣營」和「MG陣營」。接觸陣營保留了重力的日常意義，並將其量化，始終與重力非物理的定性概念保持一致。MG陣營對重力的定義只符合一種特殊情況下非物理重力的概念。

下面將依次描述這些定義。

接觸陣營對重力的定義

（符合重力的日常意義）

無論何時我們「感受到」重力，我們總會接觸到其他表面，可能是地面、椅子、太空人的躺椅，我們可能坐在沙灘上或者在一個火箭裡加速。「一個物體的重力，在任何情況下，是由支撐它的物體所施加的接觸力。」這是接觸陣營對重力的定義。你的重力照這種方式來定義的話，就是由一副置於你和支撐你的任何事物（一般是地面）之間的普通秤上所測量出的值。當你站在地表上，除非你站在南極或者北極，你的體重不會完全等同於你所受到的地心引力。

地球用mg的力拉著m的質量，表格中用標有「重力」的接觸力支撐著m的質量。應用牛頓的「F = ma」給出下列：

mg-重力=m×a（加速度）

我們將牛頓定律應用於太陽系完全慣性坐標系中，如果物體不在兩極上，它會隨著地球轉動輕微加速。因此它的重力不完全等於mg。

這種重力觀念認為讓我們下沉是由於某物在推動我們的身體。如果沒有東西推動，我們不會下沉；例如地面對我們的腳施加壓力，然後這種壓力通過我們的身體向上傳遞，迫使關節和肌肉去運用肌肉力量保持姿勢：我們感受到重量。這種接觸力取決於你的運動狀態。當你自由落體時——對於人類來說並不是一種普通的經歷——不接觸任何東西，因此你沒有重量感；你感到失重。你可以嘗試在下落時站在一副秤上，但是你不會壓著他們，因此讀數為0——這正是你在失重時的預期。

相反，如果你是一個躺在高速加速火箭裡的一名太空人，在你身上的接觸力和你必須去做的努力來支撐你的身體(例如,保持正常的呼吸)顯著增加,這將再次由一副你和你座位之間的秤顯示出。接觸陣營會說你看到漂浮在太空梭裡面或者拴在哈勃望遠鏡外面的太空人都是失重的，在火箭發射過程中太空人的重力劇增，但仍需努力保持頭腦清晰。一個物體的重力通過一副置於物體和支撐面之間的秤會被不斷地被修正。我們當然可以把秤放在任何地方，但是如果放在能取最大讀數值的地方，這最大值就是物體的重力。

mg陣營對重力的定義

（不同於重力的日常意義）

一些物理學家將一個物體的重力定義為在此之上的重力，而不考慮其他的。他們的定義是「一個物體的重力是它的質量乘以當地的重力加速度。」這種重力的概念與物體的運動狀態無關，並不考慮任何接觸力。它並不等同於你剛剛坐在椅子上讀這篇文章時的重量感，除非你分別坐於南極或者北極。

物理學家用這種定義重力的方式會把接觸力作為「視重力」。雖然他們會說當你正在自由落體的重力和你坐在椅子上的一樣，但是他們會補充到在自由落體時，你的視重是0。會說漂浮在太空梭裡面或者拴在哈勃空間望遠鏡外面的太空人有著同在地球時一樣的重力（低於地表400km地方略低於g），但是他們的視重為0。他們會說在火箭發射過程中努力保持頭腦清晰的太空人，有著相當於在家裡廚房一樣重力，但視重力會增加。

地球用一個「重力」的力（總是等於mg）拉著m的質量，表格中用標有「視重」的接觸力支撐著m的質量。應用牛頓的「F = ma」給出下列：

重力（即mg）-視重=m×a（加速度）

依舊，在慣性坐標系中測量加速度。隨著地球轉動，如果物體不在兩極上的話，加速度是不會等於0，其重力也不完全等同於視重。

mg陣營對重力的定義與非物理的重力定義一致，即當物體放置在重力場，但不在慣性坐標系裡加速。例如，位於在地球的兩極上的物體重力。

哪個定義更有用？

物理學有時會用能與日常用法相區分的方法，重新定義一些慣用詞彙。一個經典的例子「功」，當你在手上拿著某物時，並沒有對其做功，儘管你的手有些乏力了。你的肌肉系統確實做了功，但這個功是在內部的而且並沒有作用於物體上。由於這種觀念在力學中證明很有用，因此物理上有了對某物體做功的定義。

如果可以選擇保留重力的日常用法或者重新定義它，哪種是最好的做法呢？我認為如果沒有必要理由去重新定義一個詞，那麼我們就不應該重新定義，尤其是在很久以前就進入公眾領域的。這正是為什麼我在接觸陣營，因為我發現沒有特別原因去拋棄通常理解的重力意義。事實上，物理學家發現很難不用行話與非物理學者去交流想法；那麼，就為了它，我們必須要重新定義不需要重新定義的常用詞彙嗎？

另外一個值得去揣摩的點是，這兩種定義如何與愛因斯坦的引力理論吻合。愛因斯坦理論將在遠離重力加速火箭裡觀察者的測量與引力場沒有加速度的觀察者進行定量比較。接觸陣營會說兩個觀察者都會感到重力，因此當這個陣營要求與愛因斯坦作對比時沒有問題。相反，mg陣營會說火箭裡的觀察者沒有重力（因為火箭裡面沒有重力：g=0），而在重力場的觀察者有重力（因為這裡的g不等於0。）堅信在火箭裡的觀察者的經歷是「視重」，而在重力場中的觀察者是真實的，這違背相對論。確實，mg陣營會說都有一個視重；但由於不同的視重和mg值，他們與愛因斯坦定位背道而馳：重力，g。

這裡有兩個理想實驗來幫助你區分兩個重力的定義，並幫你決定喜歡待在哪個陣營。（但是記住，正如謝爾頓庫珀所說，正確答案只有一個。）

想像出現了一些讓地球逐漸越轉越快的現象。最終它會轉地如此之快，以至於赤道和在其上的任何事物，會以一個物體在接近地球表面的圓形軌道時的速度運動，大約8km/s。如果你被放置在赤道上的話，你身上的重力正好提供向心力，這可以讓你保持在太陽系框架中的圓周運動，因此地面沒有給你支持力。

你會飄起來！現在遠離赤道（你將不得不推動某物，或者發射一枚小火箭來移動）這裡速度將略小於8 km/s，你會慢慢地，一點點失去你的漂浮能力。靠近赤道你會發現你自己被固定在地面上，僅一副讀數為0的磅秤勉強記錄下來。離赤道越遠，你會發現自己被固定地越死。沒人將會否認在赤道上會缺少一種身體下沉的感覺，伴隨著驚人的漂浮能力。因此你會用真實（接觸陣營）或者視重（mg陣營）來描述你在赤道上的重力（失重）嗎？那什麼又是像神仙一樣懸浮的「顯而易見的失重」呢？當發現自己在遠離赤道越來越遠的方向上移動時會「顯而易見的超重」，這是為什麼呢？

第二個理想實驗中，把自己置於準備發射到月球的土星五號火箭的座位艙中。更準確地說，你最好把自己放置在躺椅上，因為當底部的五個巨大噴嘴被點燃時，在接下來的兩分鐘內每個會發出4千萬馬力的能力，你將會被重重地推回座位上，我敢保證你會認為這個重力增加地並不是很明顯。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. math- Shinichi

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