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引力理論
1687年英國(guó)牛頓提出的理論
研究物質(zhì)間的一種相互作用──引力作用的理論。在今天人們所知道的物質(zhì)的四種基本相互作用中，引力作用為最弱。四種相互作用按作用強(qiáng)度比例順序是：強(qiáng)相互作用(1),電磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，引力一般略去不計(jì)。但在天文學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，由于涉及的對(duì)象的質(zhì)量極其巨大，引力就成為不僅支配著天體的運(yùn)動(dòng)，而且往往是天體的結(jié)構(gòu)和演化的決定因素。
詳細(xì)內(nèi)容
萬(wàn)有引力定律，（lawofgravitation）物體間相互作用的一條定律，1687年為牛頓所發(fā)現(xiàn)。任何物體之間都有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，r表示它們間的距離，則物體間相互吸引力為f=（gm1m2）/r2，g稱為萬(wàn)有引力常數(shù)。萬(wàn)有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬(wàn)有引力定律不僅說明了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且還指出木星、土星的****圍繞行星也有同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他認(rèn)為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽(yáng)的引力，從而解釋了月球運(yùn)動(dòng)中早已發(fā)現(xiàn)的二均差、出差等。另外，他還解釋了慧星的運(yùn)動(dòng)軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。根據(jù)萬(wàn)有引力定律成功地預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了海王星。萬(wàn)有引力定律出現(xiàn)后，才正式把研究天體的運(yùn)動(dòng)建立在力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，從而創(chuàng)立了天體力學(xué)。簡(jiǎn)單的說，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力越大，地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。
理論發(fā)展
萬(wàn)有引力解釋宇宙天體間引力作用
1905年，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論，突破了絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的觀念，否定了瞬時(shí)超距作用，從根本上動(dòng)搖了建立在這些舊觀念基礎(chǔ)上的牛頓引力理論。經(jīng)過約十年的探索，愛因斯坦于1915年提出了迄今為止最成功的近代引力理論──廣義相對(duì)論。
廣義相對(duì)論
愛因斯坦與引力理論
廣義相對(duì)論的基本內(nèi)容是：三維空間和一維時(shí)間構(gòu)成四維時(shí)空連續(xù)統(tǒng)；物理事件由四維時(shí)空連續(xù)統(tǒng)中的點(diǎn)表示；四維時(shí)空連續(xù)統(tǒng)的幾何性質(zhì)由四維黎曼幾何描述?？臻g的度規(guī)張量和曲率則可以通過引力場(chǎng)方程，由物質(zhì)的能量-動(dòng)量張量決定。引力場(chǎng)方程可寫為：
天體物理學(xué)(萬(wàn)有引力現(xiàn)象)
式中，τ為原時(shí)，為聯(lián)絡(luò)。
廣義相對(duì)論克服了牛頓萬(wàn)有引力定律所遇到的困難，完滿地說明水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)問題；預(yù)言光線在引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；強(qiáng)引力場(chǎng)中原子發(fā)出的光譜線和弱引力場(chǎng)中同種原子發(fā)出的同一光譜線相比，前者的光譜向紅端移動(dòng)。這些效應(yīng)都在不同程度上得到觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的證實(shí)（見廣義相對(duì)論的天文驗(yàn)證）。
從二十年代起，人們借助于廣義相對(duì)論把觀測(cè)所及的宇宙作為一個(gè)整體來(lái)研究，預(yù)言它正在膨脹。這個(gè)預(yù)言也因河外星系譜線紅移和微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)而得到支持（見宇宙學(xué)）。六十年代以來(lái)，隨著類星體、脈沖星等一系列新天體的發(fā)現(xiàn)，廣義相對(duì)論已日益成為現(xiàn)代天體物理學(xué)的重要理論基礎(chǔ)（見相對(duì)論天體物理學(xué)）。
廣義相對(duì)論雖然取得了很大的成就，但也還存在一些問題。例如，已經(jīng)證明，在某些相當(dāng)一般的條件下，總會(huì)出現(xiàn)物理上難以接受的奇性以及量子化后不可重整的困難。因此，幾十年來(lái)，不斷有人提出其他的引力理論。這些理論大體可以分為兩類：一類是平直空間中滿足洛倫茲協(xié)變的引力理論，一類是彎曲空間中的度規(guī)型引力理論。經(jīng)過多方面的檢驗(yàn)，除了極個(gè)別的例外，所有這些理論都一個(gè)一個(gè)地被淘汰了。然而，以局部慣性系的存在為前提的引力規(guī)范理論卻引起了廣泛的注意。這種理論，就時(shí)空的幾何性質(zhì)而言，不僅考慮了曲率，而且考慮了撓率；就物質(zhì)的特性而言，不僅考慮了能量、動(dòng)量，也考慮了自旋。它不僅和廣義相對(duì)論一樣，能經(jīng)受住目前實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)的檢驗(yàn)，而且有可能克服奇性和重整化困難。在這個(gè)方向上，最近出現(xiàn)的超引力理論已經(jīng)展示了將四種基本相互作用統(tǒng)一起來(lái)的誘人前景。
引力理論的本質(zhì)
兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1、引力與其他基本力的關(guān)系，這里選擇了電磁力作為突破口。2、四種基本的力統(tǒng)一說明。
再者物理宇宙書籍《變化》中其實(shí)宏觀的，尤其對(duì)相對(duì)論的理解要比量子力學(xué)的理解多的多。所以有必要不斷增加對(duì)量子力學(xué)的說明。來(lái)佐證反復(fù)強(qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)——愛氏廣義相對(duì)論可以和其他三種基本力融洽！
所以要討論的點(diǎn)非常多，牽涉的面也達(dá)到了史無(wú)前例的廣，這就是這個(gè)題目嚇人的原因。如果僅僅是題目嚇人，那也好啊。題目背后的東西是讓人類絞盡腦汁都頭疼的問題。一起來(lái)走進(jìn)這個(gè)神奇的世界吧！
要討論這一章的課題，是依據(jù)前面的知識(shí)理論支撐的。首先從哲學(xué)上，從一開始就說了，事物是普遍聯(lián)系的，聯(lián)系是有條件的。那么作為宇宙的四種基本力，怎么可能沒有相互聯(lián)系呢？不融洽呢？
可是為什么失敗了那么多次，沒有成功的統(tǒng)一四種基本力。每一次的失敗，都是為下一次成功做鋪墊。鋪墊多了，新的條件出現(xiàn)了，新的想法出現(xiàn)了，問題就迎刃而解了。
引力理論
那么據(jù)此就很明顯了，四種基本力【引力，電磁力，強(qiáng)力，弱力】中最根本的是引力！
之前所有的理論都不曾論述四種基本力誰(shuí)是最重要的，最根本的。也就是說在理論中引力是最根本的，最重要的力。
除了引力，其他三種力都已經(jīng)被統(tǒng)一在規(guī)范場(chǎng)論理論內(nèi)了。但其實(shí)引力在量子領(lǐng)域依然對(duì)粒子是有作用的。只是通常在量子力學(xué)范圍內(nèi)認(rèn)為這種引力作用微乎其微，所以忽略不計(jì)。
顯然這種忽略不計(jì)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。而且認(rèn)為宇稱不守恒，不確定性原理，自發(fā)性破缺等都與引力是有關(guān)系的。引力扮演了一種“擾動(dòng)”的角色。
這就是說明了引力是宇宙中根本性的力，是一種時(shí)空性質(zhì)。還有比這個(gè)更廣的力嗎？沒有！也就是是其他三種力在時(shí)空范疇內(nèi)，而時(shí)空性質(zhì)的根本體現(xiàn)就是引力。
從哲學(xué)角度來(lái)說，在處理各種力的關(guān)系問題的時(shí)候，往往要以引力為主要矛盾來(lái)分析各種現(xiàn)象和狀態(tài)。另外三種力作為次要矛盾來(lái)考慮。
從最新的研究作為切入點(diǎn)開始。先來(lái)看看什么是引力波，引力又是如何被發(fā)現(xiàn)的。先來(lái)看看下面這張關(guān)于引力波的圖片說明。
通過圖片知道了，引力波是一中時(shí)空漣漪。通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對(duì)論洛倫茲不變性的結(jié)果，因?yàn)樗肓讼嗷プ饔玫膫鞑ニ俣扔邢薜母拍睿?/span>光速。
相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當(dāng)中，因?yàn)榕ｎD的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無(wú)限的。
在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團(tuán)隊(duì)宣布他們已經(jīng)利用高級(jí)LIGO探測(cè)器，已經(jīng)首次探測(cè)到了來(lái)自于雙黑洞合并的引力波信號(hào)。
引力理論
為了詳細(xì)讓大家了解后面要給大家講述的理論，就有必要對(duì)引力波的具體探測(cè)工作有了解。
兩個(gè)質(zhì)量分別是26和39太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞。互相旋轉(zhuǎn)，最后合并。黑洞合并產(chǎn)生了非常大的碰撞，所以遙遠(yuǎn)的地球觀察到了引力波。
這個(gè)過程分為三個(gè)階段。
第一個(gè)階段：兩個(gè)黑洞的引力波頻率從30Hz開始，這在引力波天文學(xué)中是比較低的頻段，但這意味著黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點(diǎn)就是這兩個(gè)黑洞分別是30和36太陽(yáng)質(zhì)量。每個(gè)半徑大概是100公里左右，距離是1000公里左右。每秒種互相轉(zhuǎn)15圈。
第二個(gè)階段：到兩個(gè)黑洞合并的時(shí)候，引力波頻率達(dá)到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒轉(zhuǎn)50圈。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)黑洞已經(jīng)快成一體了，兩個(gè)黑洞“中心”的距離大概是200公里。
第三個(gè)階段：這個(gè)合并的黑洞繼續(xù)扭曲震蕩，形成一個(gè)新的，旋轉(zhuǎn)的黑洞。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是63個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。其中有三個(gè)左右的太陽(yáng)質(zhì)量在碰撞中消失，以引力波的形式向外擴(kuò)散！
再回到《變化》引力的本源理論——引力是時(shí)空性質(zhì)。時(shí)空是能量的時(shí)空。所以在沒有大質(zhì)量天體擾動(dòng)的情況下，時(shí)空漣漪是很難被探測(cè)到的。雖然處于在時(shí)空中。有種“不識(shí)廬山真面目，只緣生在此山中”的感覺。
在這里再次強(qiáng)調(diào)引力不是時(shí)空彎曲產(chǎn)生的，引力是時(shí)空性質(zhì)——是時(shí)空產(chǎn)生引力！
彎曲是假象。因?yàn)闀r(shí)空背影是彎曲的，引力可以使得時(shí)空彎曲！但不是時(shí)空彎曲產(chǎn)生了引力！是時(shí)空能量，是時(shí)空產(chǎn)生了引力！這就是為什么只要是具有質(zhì)量的物體都具有引力。因?yàn)橐褪且环N時(shí)空性質(zhì)，任何有質(zhì)量的物體無(wú)法脫離這樣的時(shí)空法則。從宏觀到量子層面都是這樣的。
所以就很明顯了，引力波是時(shí)空的漣漪，那么什么是引力場(chǎng)？時(shí)空就是引力場(chǎng)，很顯然這樣的引力場(chǎng)是全域場(chǎng)。這和現(xiàn)有的引力場(chǎng)定義有根本區(qū)別。
其實(shí)不難理解，引力是時(shí)空性質(zhì)，引力場(chǎng)自然也是時(shí)空性質(zhì)。它們的區(qū)別就是時(shí)空在線，面，體的不同表現(xiàn)，但都是出于同一時(shí)空性質(zhì)！
所以引力場(chǎng)的定義就是：引力場(chǎng)是一種全域性的時(shí)空性質(zhì)，其場(chǎng)強(qiáng)度和能量物質(zhì)分布及運(yùn)動(dòng)速度成正比關(guān)系。
關(guān)鍵詞：全域性，物質(zhì)能量分布，運(yùn)動(dòng)速度，正比關(guān)系。
所謂全域性是指從理論上來(lái)講引力場(chǎng)是整個(gè)時(shí)空的性質(zhì)，那么它的廣度就是時(shí)空所在處必然存在引力場(chǎng)。
物質(zhì)能量分布該怎么理解，在整個(gè)時(shí)空中物質(zhì)能量的分布是不均的，引力場(chǎng)強(qiáng)度自然就是不同的。雖然是理論上是全域性的場(chǎng)，也就是彌漫整個(gè)宇宙。但是從微分思維出發(fā)，由于這種的物質(zhì)能量的不均性，可以把全域場(chǎng)劃分為N個(gè)局域場(chǎng)。
但要清楚這種劃分是人為的，是為了更好的研究引力理論而設(shè)想的。
引力理論
再這里提醒大家，引力和引力場(chǎng)作用的傳遞速度都是光速。這個(gè)已經(jīng)在前面章節(jié)中論述過了。
很多人可能會(huì)問，為什么不在引力場(chǎng)的定義的中加入“與距離平方成反比”這樣的描述，而在局部引力場(chǎng)中就加入了這樣的描述。上面說了，引力場(chǎng)應(yīng)該是全域場(chǎng)，是一種時(shí)空性質(zhì)，。只有當(dāng)你去測(cè)量具體物體，具體天體，具體星團(tuán)的引力的時(shí)候，可以區(qū)分他們的距離——即物體之間的距離。也就是至少有A和B兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)。
這樣把牛頓引力定理就引了出來(lái)：任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)組成和其間介質(zhì)種類無(wú)關(guān)。
數(shù)學(xué)公式表述為：F= GMm/ r^2。G為引力常數(shù)，等于G=6.67×10?11 N·m2/kg2。
顯然牛頓的理論是一種“靜態(tài)”引力理論，是一種絕對(duì)時(shí)空理論。愛氏的廣義相對(duì)論是一種“動(dòng)態(tài)”的引力理論，是一種相對(duì)時(shí)空理論。這是愛氏先進(jìn)的地方。
也就是說牛頓的引力理論有局限性，不適于高速運(yùn)動(dòng)的物體。因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)，高度運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)量會(huì)增大。如果牛頓認(rèn)為質(zhì)量是不因運(yùn)動(dòng)速度變化的，那么自然就不會(huì)認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)。
這也是為什么重新定義質(zhì)量。就是將質(zhì)量回歸能量的本質(zhì)。然后用能量來(lái)定義質(zhì)量。即：質(zhì)量是物體在相對(duì)時(shí)空中的一種物理屬性，物體所蘊(yùn)含能量的多少是物體質(zhì)量的量度。
這樣就把質(zhì)量始終放在相對(duì)論時(shí)空下的質(zhì)量了。那么牛頓萬(wàn)有引力定理錯(cuò)誤了嗎？其實(shí)不能說錯(cuò)誤了，是不夠究竟，和不準(zhǔn)確。這在人類認(rèn)識(shí)宇宙世界過程中必須要經(jīng)歷的。
引力場(chǎng)，引力的本源都是時(shí)空。引力波就是時(shí)空的漣漪。在這里要提出電磁波的概念。引力波和電磁波是不同的。引力波是時(shí)空的漣漪，電磁波是電磁場(chǎng)產(chǎn)生的。他們的關(guān)系會(huì)在后面詳細(xì)剖析和論述。
上面給大家介紹了引力波被探測(cè)到的過程。黑洞在合并的過程會(huì)損失若干個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這些太陽(yáng)質(zhì)量以能量的形式震蕩開來(lái)，被檢測(cè)到，即引力波。
就是說時(shí)空也是能量時(shí)空，引力和引力場(chǎng)的本源就是能量時(shí)空。它是一種時(shí)空性質(zhì)。引力波就是時(shí)空的巨大變化引起的，不像電磁波那樣。
引力的傳播不需要介質(zhì)，也就是說引力波的傳遞不需要介質(zhì)。時(shí)空是一種能量時(shí)空，能量的傳遞不需要介質(zhì)，這就是為什么引力和引力波的傳遞不需要介質(zhì)。但它們傳播的速度是光速，不是超光速！
引力理論
既然引力，引力波，引力場(chǎng)的本源都回歸于能量時(shí)空，那么所謂的引力子就是能量的最小單位——能量子。
所以說引力子這個(gè)東西的探究需要謹(jǐn)慎，極有可能竹籃打水一場(chǎng)空。因?yàn)橐κ菚r(shí)空性質(zhì)。時(shí)空是能量時(shí)空，所有的一切都是構(gòu)成能量時(shí)空的物質(zhì)。
也就是說所有的量子力學(xué)體系下的粒子也屬于能量。那么如此，愛氏的廣義相對(duì)論更應(yīng)該可以與其他三種基本力融洽。也就是說需要建立一個(gè)“能量場(chǎng)論?！边@個(gè)還要再下一章詳細(xì)講。
最后再給大家強(qiáng)調(diào)這樣一點(diǎn)，其實(shí)既然所有的物質(zhì)東西都是能量。那么其實(shí)統(tǒng)一理論的現(xiàn)有描述已經(jīng)出來(lái)了。那就是能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，而且能量的形式也可以互相轉(zhuǎn)換。
在不同的領(lǐng)域有不同的表達(dá)，如下文：
1、保守力學(xué)系統(tǒng)
2、熱力學(xué)系統(tǒng)
能量表達(dá)為內(nèi)能，熱量和功，能量守恒的表達(dá)形式是熱力學(xué)第一定律(熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變)。表達(dá)式為Q=△U+W.
2、相對(duì)論理論
在相對(duì)論里，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)變。計(jì)及質(zhì)量改變帶來(lái)能量變化，能量守恒定律依然成立。歷史上也稱這種情況下的能量守恒定律為質(zhì)能守恒定律。
4、流體力學(xué)
在流體力學(xué)中有一種邊界層表面效應(yīng)，又稱"伯努利效應(yīng)“。是指流體速度加快時(shí)，物體與流體接觸的界面上的壓力會(huì)減小，反之壓力會(huì)增加，伯努利效應(yīng)是流體力學(xué)中的能量守恒定律。伯努利因發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象并成功解釋它而創(chuàng)立的流體力學(xué)。
5、電磁學(xué)
根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙原磁場(chǎng)磁通量的變化，這種阻礙的結(jié)果就使得電磁感應(yīng)的過程中將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，感應(yīng)電流形成回路，再將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。也就是說，楞次定律所揭示的感應(yīng)電流與原磁場(chǎng)的關(guān)系本質(zhì)仍然是能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，即能量守恒定律。
6、化學(xué)
質(zhì)量守恒定律：在化學(xué)反應(yīng)前后，參加反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。這就叫做質(zhì)量守恒定律
諾特定理把對(duì)稱性跟守恒量聯(lián)系起來(lái)了，非常有用。是指對(duì)于力學(xué)體系的每一個(gè)連續(xù)的對(duì)稱變換，都有一個(gè)守恒量與之對(duì)應(yīng)。對(duì)稱變換是力學(xué)體系在某種變換下不變。
表述：對(duì)于每個(gè)局部作用下的可微對(duì)稱性，存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的守恒流。
上述命題中的“對(duì)稱性”一詞精確一點(diǎn)來(lái)說是指物理定律在滿足某種技術(shù)要求的一維李群作用下所滿足的協(xié)變性。物理量的守恒定律通常用連續(xù)性方程表達(dá)。
定理的形式化命題僅從不變性條件就導(dǎo)出和一個(gè)守恒的物理量相應(yīng)的流的表達(dá)式。該守恒量稱為諾特荷，而該流稱為諾特流。諾特流至多相差一個(gè)無(wú)散度向量場(chǎng)。
而且絕對(duì)零度不可達(dá)到，就說明一切物體具有能量！這一點(diǎn)知識(shí)所深刻表達(dá)的內(nèi)容是引力是永恒存在的，時(shí)空是永恒存在的。所以愛氏和霍金的宇宙有限論是不可靠的。
參考書目
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溫伯格著，鄒振隆譯：《引力和宇宙論》，科學(xué)出版社，北京，1979。(S. Weinberg,Gravitation andCosmology,John Wiley and Sons,New York,1972.)
Y.B.Zeldovich and I. D. Novikov,RelativisticAstrophysics Vol. I, Univ. of Chicago Press,Chicago,1971.
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作者
