萬有引力定律描述的是兩個點質量之間的相互作用,在經典力學當中不存在絕對的點質量,所以兩個物體無限靠近時,引力并不會無窮大,但是在相對論力學當中存在例外。
牛頓在300年前創立經典力學,經典力學的基礎包括牛頓三大運動定律和萬有引力定律,經典力學可謂統一了天上地下的一切。
我們從萬有引力定律出發,有人可能會發現,萬有引力定律的分母是距離的二次方,那么當距離足夠小時,萬有引力似乎變得無窮大。于是某些人高呼,我終于抓住了牛頓大神的把柄,要把他叫起來對峙。
然而牛頓比你聰明上百倍,這點小伎倆牛頓都不屑理你;如果對上面的問題想不通,只能說你連萬有引力定律都沒看懂。
萬有引力定律:任意兩個質點通過連心線方向上的引力相互吸引,該引力大小與它們的質量乘積成正比,與距離的平方成反比;數學公式為F=GMm/r^2,其中G=6.672×10-11N·m^2/kg^2。
這句話當中的關鍵詞是“質點”,質點是一個理想化模型,質點有質量但是半徑為零,我們來考慮幾個實際問題。
一、兩個鐵球靠在一起
實際當中的鐵球存在半徑,質心不可能無限靠近,比如兩個10千克的實心鐵球,直徑大約是0.134米,哪怕兩個鐵球完全接觸在一起,你計算出來的萬有引力也是非常非常小的,因為萬有引力常數G實在太小了。
二、鐵球半徑不斷縮小
有人可能會繼續想了,如果兩個鐵球也縮小了,這樣它們的質心就無限靠近,萬有引力是不是無窮大了呢?
當然不是!你要知道對于鐵球來說,體積與半徑的三次方成正比,所以質量也是與半徑的三次方成正比的。你的兩個鐵球半徑縮小為原來的一半,那么萬有引力公式分母將縮小為四分之一,但是分子上的質量乘積將會縮小為64分之一,所以分母不可能縮小得比分子快,這個模型下萬有引力不可能出現無窮大。
三、原子間的萬有引力
根據鐵球模型,我們就能知道原子間的萬有引力不會無窮大,但還是要提一點的是,微觀世界中強力、電磁力和弱力其主導作用,比如電磁力的強度是萬有引力的10^38倍,所以微觀世界中的萬有引力完全可以忽略掉。
四、一個巨大物體的質心處
我們還不死心,再來想象當其中一個物體的質心是空心的,然后兩個物體的質心重疊會怎么樣?
最簡單的例子,就是我們挖一條地道到地心處(假設行得通),然后人的質心和地球質心重疊,那么我們受到的地球引力會無窮大的嗎?
當然不會,在地心處的引力反而會減小為零,因為我們利用萬有引力定律和微積分知識,可以很容易得到這么一個有趣的結論:就是對于一個質量分布均勻的物體,其內部的萬有引力大小,等于物體所在半徑處內部物質的引力,而所處半徑外部的物質,其左右兩個的引力剛好完全抵消了。
于是,地球引力場分布其實是下面的情況,在地球表面的引力是最強的。
五、黑洞奇點
在經典力學的框架下,你不可能得到引力無窮大的情況;此時愛因斯坦出場了,愛因斯坦把時間和空間折騰了個遍,最后得到大名鼎鼎的廣義相對論,在廣義相對論中,就描述了一個半徑無限小的黑洞奇點。如果根據廣義相對論對黑洞的描述,那么黑洞奇點處的引力確實是無窮大的。
愛因斯坦說:牛頓啊,要不要出來走兩步!
牛頓:算了,這是你的主場,我還是繼續睡吧!
實際上,對于任何物體,你要你把體積縮小到一定程度,這個物體就會變成黑洞,比如把地球的半徑壓縮到9毫米;或者把一個人壓縮成直徑10^-26米的小球,這比一個電子直徑還要小十億倍呢!
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