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解开牛顿万有引力计算公式中隐藏的谜

(2011-07-07 23:27:58)
标签:

万有引力之谜

计算公式

质量场

平方反比

引力本质和起源

牛顿引力定律

分类: 万有引力问题探索

解开牛顿万有引力计算公式中隐藏的谜

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis 201177)

牛顿的万有引力计算公式为:F=GmM/r2。其中F是引力(重力),G是引力常数,Mm分别是这个引力关系中两个物体的质量,r是这两个物体质心之间的距离。这个公式今天仍然还很实用。可是在它之中存在的诸多谜团至今却还没有被解开。随着万有引力之谜的破解,牛顿引力计算公式中隐藏的谜也就随之得到了破解。本文把这些谜和它们的破解过程归纳如下:

  1. 重力加速度与重力(引力)之间的关系之谜。我们知道,牛顿的引力公式还可以写成:F=mgF=m(GM/r2)。其中g是重力加速度。这样就可以得到重力加速度的计算公式为:g=GM/r2。“重力加速度g与重力(引力)F之间的关系之谜”指的是重力与重力加速度二者之间何者为“因”,何者为“果”的因果关系问题。从公式 g=GM/r2中可以看出,只要有一个物体的质量M就可以决定重力加速度的大小,不需要另外那个质量为m的物体存在。这说明重力加速度的存在不需要重力,但重力的存在必须要有重力加速度的存在。所以,重力加速度与重力之间的关系是:先有重力加速度,后有重力。这就是重力加速度与重力(引力)之间关系之谜”的谜底。也就是说,重力是重力加速度所产生出来的一个结果。重力加速度并不是物体m受到重力的作用所产生出来的加速度。所以,牛顿引力计算公式中的关键是重力加速度。只要计算出重力加速度g,任何质量的物体的重力大小都可以通过F=mg很容易计算出来。因此,g=GM/r2是引力计算公式中的核心。
  2. 平方反比定律之谜。自从牛顿引力公式问世以来,人们一直不理解为什公式中的重力F大小与两个物体质心之间的距离平方成反比关系。这就是牛顿引力公式中的平方反比定律之谜。其实,解开这个谜并不难。首先,我们要改变对公式中距离r的定义。r不应该被定义为线性距离,而应该被定义为以质心为中心所形成的圆球形的半径。这样一来,重力加速度计算公式就可以进行这样的变换:在分子分母上同时乘上4π得:g=GM/r2=4πGM/4πr2 =(4πG)(M/4πr2)。如果用一个新的常数Gm来表示4πG(即Gm=4πG),那么,重力加速度的计算公式就成了g=GmM/4πr2。因为r是以物体M的质心为几何中心的半径,所以,4πr2就是以这个半径形成的球形面积。只要不把4πr2拆开,我们就很容易理解到:牛顿引力公式中的平方反比定律来自球形面积的计算公式。因此,把重力加速度的计算公式写成g=GmM/4πr2比原来的公式g=GM/r2更容易让人理解公式中平方反比定律的物理学意义。球形面积(4πr2)所反映的是一个“场”的特性。如果把4πr2拆开,去掉只留下r2的话,那么,人们就很容易把r作为直线距离来理解而不解其意。只要从“场的球面”上理解牛顿引力公式中的平方反比定律,这个“平方反比定律之谜”就迎刃而解了。
  3. 牛顿引力常数之谜。在牛顿引力公式中,引力常数G的物理学意义始终是一个谜。人们几乎根本就不知道它在物理机制上的来源是什么。现在,从上述分析的结果中,我们就可以很容易解开这个谜。从修改后的重力加速度计算公式g=GmM/4πr2中,我们可以清楚看出式中M/4πr2的物理学意义就是一个“物体的总质量与球形场总面积的比值”。这个比值是“单位面积上的质量大小”。这显然是一个质量在“场”中的密度单位,所以可以把它称为“质量场密度”。如果用D来表示这个质量场密度,那么它就是:D=M/4πr2。把它带入重力加速度计算公式g=GmM/4πr2中就得到:g=GmD。也可以把这个公式写成:Gm=g/D。这样,Gm 的物理学意义就非常清楚了。Gm表示的就是:重力加速度与质量场密度之间的比值永远都是一个常数。也就是说,只要知道一个物体的质量大小M,就可以计算出以这个物体质心为中心的半径r位置上的质量场密度D是多少。知道了质量场密度D多大,就可以用g=GmD计算出同一点上的重力加速度的大小。所以,Gm的物理学意义就是质量场密度与重力加速度之间的转换系数。前面已经提到过,Gm与牛顿引力常数G之间的数学关系是:Gm=4πG。这样,引力常数本质的谜就彻底解开了。牛顿引力常数G就是一个变相的Gm,其本质就是重力加速度与质量场密度之间的变换系数。
  4. 万有引力的来源和本质之谜。以上几个谜的解开让我们可以进一步认识到“万有引力”的产生过程及其本质。首先,物体具有质量,同时物体也具有一个质量场。其次,质量场的密度D由物体的质量和质量场的半径r决定: D=M/4πr2。接下来,因为重力加速度与质量场密度的比值是一个常数Gm,所以,质量场密度D直接决定了重力加速度g的大小:g=GmD。在所有这些都决定好了之后,当另外一个质量为m的物体存在于这个质量场之中的时候,就会表现出“万有引力现象”。这个力的大小为:F=mg=mGmD。可见,人们可以测量到的那个“引力”来自一个物体的质量m和重力加速度g,而重力加速度来自另一个物体M的质量场密度D,质量场密度是由物体的质量M与质量场的半径r决定。质量场和质量都是物质的基本属性。所以,最后的就论就是:“万有引力现象”来自物质的基本属性。也就是说,“万有引力现象”不是由物质的某种结构特性和能量特性产生出来的。它仅仅是在任意两个相邻物体之间由物质基本属性所表现出来的一种物质的自然存在状态。所以,从本质上讲,“万有引力”根本就不是物体之间的相互吸引作用力。
  5. 万有引力不可屏蔽之谜。人们发现,宇宙中的所有物理传递现象都是可以被屏蔽的。如果万有引力是一种相互吸引作用力的话,就一定存在力的传递过程。因此就一定可以被屏蔽。然而,事实证明,在万有引力现象中测量到那个力是永远都无法被屏蔽掉的。为什么?这就是万有引力不可屏蔽之谜。在万有引力来源和本质之谜被解开之后,我们就知道了:“万有引力”根本就不是一种通过力的传递而在物体之间产生相互吸引作用的力。万有引力现象是物质存在的一种自然状态,是物质的基本属性决定的。既然它不存在相互作用的传递过程,当然它也就不可以被屏蔽了。
  6. 重力加速度本质之谜。我们知道,在作用力的作用下,对相同质量的物体而言,物体运动的加速度a大小是由作用力F的大小决定的:a=F/m。可是,在引力现象中,重力的大小却决定不了重力加速度的大小。这表现为:在相同的真空环境和条件下,质量大小不同的物体以同样的自由落体速度自由下落。为什么会这样?到底重力加速度的本质是什么?这成为了一个谜。现在这个谜已经可以解开了。从重力加速度g与质量场密度D之间的关系式Gm=g/D中知道,重力加速度g与质量场密度之间的比值是一个常数。而在重力加速度g与质量场密度之间的因果关系上是先有质量场密度,后有重力加速度。所以,重力加速度是直接由质量场密度决定的。从这个关系中我们就可以看出:重力加速度是对质量场密度在物体运动中作用的一个力学表现形式。这就是重力加速度的本质。它把物质的一种状态(质量场密度)以力学形式(重力加速度)在物体运动中表现了出来。所以,只要不改变质量场密度,就无法改变重力加速度。
  7. 牛顿引力计算公式局限性之谜。牛顿的引力计算公式在一般情况下是适用的。但是,在计算水星轨道上遇到了困难。说明牛顿引力公式虽然正确但有局限性。这个局限性来自何处?这是一个谜。对比以一下上面提到的两个重力加速度计算公式g=GM/r2g=GmD就不难解开这个谜。 g=GM/r2是一个不能反映出物理机制的纯数学关系式。g=GmD则是一个能够明确反映出物理机制的数学关系式。它所反映的就是质量场密度D决定了重力加速度的大小。而“质量场密度”是一个描述“场”特性的物理学数值。所以它的大小取决于场的状态。 D=M/4πr2的计算公式是针对静止状态建立的。但是,因为场在运动状态下会产生多普勒漂移效应,所以,质量场的密度结构会在物体运动过程中发生变化。这个变化一定会影响到“引力现象”中“引力”的大小。所以 g=GmD中的质量场密度D是一个随物体运动而变化的量。但是,牛顿的公式 g=GM/r2中没有反映出这种变化的因素存在。所以,牛顿的引力公式其实描述的是物体在静止状态下的所谓“引力关系”。当物体以普通速度运动时,它的计算结果都是近似值。一旦遇到象水星这种质量巨大,运行速度又快的情况下,如果不考虑质量场的密度漂移就不可能获得准确的结果。而牛顿的引力计算公式就是因为无法反映出质量场的密度变化在“引力现象”中所产生的作用,因此而显现出了它的局限性。
  8. 牛顿引力理论与爱因斯坦引力理论之间的关系之谜。人们发现,牛顿的引力定律在一般的实践应用中没有任何问题,但是在计算水星轨道的时候却遇到了困难。而爱因斯坦的引力理论可以正确计算出水星的轨道,但是他的理论好像不如牛顿的引力定律那么实用和容易理解。这就是说,牛顿的引力定律和爱因斯坦的引力论都有它们对的地方。可是,从表面上却看不出这两个理论之间有什么必然的联系。这成了一个谜。其实,在上述解开的一系列谜底中已经对此有了答案:牛顿和爱因斯坦引力理论之间的“接点”就是质量场。牛顿引力公式中的r2来自质量场面积的计算公式4πr2。这在上面已经分析得很清楚了。那么爱因斯坦的引力理论与质量场是什么关系呢?爱因斯坦用了一个“时空弯曲”来解释引力现象。爱因斯坦认为很大的质量可以使它周围的时空产生弯曲。然而,这种弯曲不可能产生在这个很大质量物体的一侧,而应该产生在它的全方位上。所以这样所形成就应该是一个球形的场。从球面上取下来的任何部位都是一个弯曲的部分。这个球实际上就应该是质量场。所以,时空弯曲的本质也应该是质量场。这样,牛顿和爱因斯坦的引力理论就在质量场上接轨了。然而,牛顿没有意识到质量场的存在,所以,他完全是用质点的方式来描述引力现象。爱因斯坦虽然是用场的方式来描述引力现象,可是,他把“场”从物体的属性中孤立出去变成了一个弯曲的时空,没有认识到那个场就是质量场。在这种情况下,人们就很难把牛顿的平方反比定律与爱因斯坦的弯曲时空联想到一起。其实,质量场不是被质量弯曲的,而它本身就是一个球形。质量场不是孤立于质量之外的,而是与质量不可分割的。认识到了这些之后,牛顿与爱因斯坦引力理论之间的关系就不再是谜了。

本文引用地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100x65p.html

 

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