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引力理論
1687年英國牛頓提出的理論
詳細內容
萬有引力定律，（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，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個物體的質量，r表示它們間的距離，則物體間相互吸引力為f=（gm1m2）/r2，g稱為萬有引力常數(shù)。萬有引力定律是牛頓在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中首先提出的。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規(guī)律，而且還指出木星、土星的****圍繞行星也有同樣的運動規(guī)律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽的引力，從而解釋了月球運動中早已發(fā)現(xiàn)的二均差、出差等。另外，他還解釋了慧星的運動軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。根據(jù)萬有引力定律成功地預言并發(fā)現(xiàn)了海王星。萬有引力定律出現(xiàn)后，才正式把研究天體的運動建立在力學理論的基礎上，從而創(chuàng)立了天體力學。簡單的說，質量越大的東西產生的引力越大，地球的質量產生的引力足夠把地球上的東西全部抓牢。
理論發(fā)展
廣義相對論
愛因斯坦與引力理論
廣義相對論的基本內容是：三維空間和一維時間構成四維時空連續(xù)統(tǒng)；物理事件由四維時空連續(xù)統(tǒng)中的點表示；四維時空連續(xù)統(tǒng)的幾何性質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方程，由物質的能量-動量張量決定。引力場方程可寫為：
式中，τ為原時，為聯(lián)絡。
廣義相對論克服了牛頓萬有引力定律所遇到的困難，完滿地說明水星近日點的進動問題；預言光線在引力場中會發(fā)生偏轉；強引力場中原子發(fā)出的光譜線和弱引力場中同種原子發(fā)出的同一光譜線相比，前者的光譜向紅端移動。這些效應都在不同程度上得到觀測和實驗的證實（見廣義相對論的天文驗證）。
從二十年代起，人們借助于廣義相對論把觀測所及的宇宙作為一個整體來研究，預言它正在膨脹。這個預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）。六十年代以來，隨著類星體、脈沖星等一系列新天體的發(fā)現(xiàn)，廣義相對論已日益成為現(xiàn)代天體物理學的重要理論基礎（見相對論天體物理學）。
廣義相對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，在某些相當一般的條件下，總會出現(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，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，除了極個別的例外，所有這些理論都一個一個地被淘汰了。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，就時空的幾何性質而言，不僅考慮了曲率，而且考慮了撓率；就物質的特性而言，不僅考慮了能量、動量，也考慮了自旋。它不僅和廣義相對論一樣，能經(jīng)受住目前實驗和觀測的檢驗，而且有可能克服奇性和重整化困難。在這個方向上，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)一起來的誘人前景。
引力理論的本質
兩個關鍵點：1、引力與其他基本力的關系，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。
所以要討論的點非常多，牽涉的面也達到了史無前例的廣，這就是這個題目嚇人的原因。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。一起來走進這個神奇的世界吧！
要討論這一章的課題，是依據(jù)前面的知識理論支撐的。首先從哲學上，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。
這就是說明了引力是宇宙中根本性的力，是一種時空性質。還有比這個更廣的力嗎？沒有！也就是是其他三種力在時空范疇內，而時空性質的根本體現(xiàn)就是引力。
從哲學角度來說，在處理各種力的關系問題的時候，往往要以引力為主要矛盾來分析各種現(xiàn)象和狀態(tài)。另外三種力作為次要矛盾來考慮。
從最新的研究作為切入點開始。先來看看什么是引力波，引力又是如何被發(fā)現(xiàn)的。先來看看下面這張關于引力波的圖片說明。
通過圖片知道了，引力波是一中時空漣漪。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論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念，即光速。
相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當中，因為牛頓的經(jīng)典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。
在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經(jīng)利用高級LIGO探測器，已經(jīng)首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。
引力理論
為了詳細讓大家了解后面要給大家講述的理論，就有必要對引力波的具體探測工作有了解。
這個過程分為三個階段。
第一個階段：兩個黑洞的引力波頻率從30Hz開始，這在引力波天文學中是比較低的頻段，但這意味著黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點就是這兩個黑洞分別是30和36太陽質量。每個半徑大概是100公里左右，距離是1000公里左右。每秒種互相轉15圈。
第二個階段：到兩個黑洞合并的時候，引力波頻率達到100Hz，軌道頻率50Hz，就是每秒轉50圈。這個時候兩個黑洞已經(jīng)快成一體了，兩個黑洞“中心”的距離大概是200公里。
第三個階段：這個合并的黑洞繼續(xù)扭曲震蕩，形成一個新的，旋轉的黑洞。這個黑洞的質量是63個太陽質量。其中有三個左右的太陽質量在碰撞中消失，以引力波的形式向外擴散！
在這里再次強調引力不是時空彎曲產生的，引力是時空性質——是時空產生引力！
彎曲是假象。因為時空背影是彎曲的，引力可以使得時空彎曲！但不是時空彎曲產生了引力！是時空能量，是時空產生了引力！這就是為什么只要是具有質量的物體都具有引力。因為引力就是一種時空性質，任何有質量的物體無法脫離這樣的時空法則。從宏觀到量子層面都是這樣的。
所以就很明顯了，引力波是時空的漣漪，那么什么是引力場？時空就是引力場，很顯然這樣的引力場是全域場。這和現(xiàn)有的引力場定義有根本區(qū)別。
其實不難理解，引力是時空性質，引力場自然也是時空性質。它們的區(qū)別就是時空在線，面，體的不同表現(xiàn)，但都是出于同一時空性質！
所以引力場的定義就是：引力場是一種全域性的時空性質，其場強度和能量物質分布及運動速度成正比關系。
關鍵詞：全域性，物質能量分布，運動速度，正比關系。
所謂全域性是指從理論上來講引力場是整個時空的性質，那么它的廣度就是時空所在處必然存在引力場。
物質能量分布該怎么理解，在整個時空中物質能量的分布是不均的，引力場強度自然就是不同的。雖然是理論上是全域性的場，也就是彌漫整個宇宙。但是從微分思維出發(fā)，由于這種的物質能量的不均性，可以把全域場劃分為N個局域場。
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想的。
引力理論
再這里提醒大家，引力和引力場作用的傳遞速度都是光速。這個已經(jīng)在前面章節(jié)中論述過了。
很多人可能會問，為什么不在引力場的定義的中加入“與距離平方成反比”這樣的描述，而在局部引力場中就加入了這樣的描述。上面說了，引力場應該是全域場，是一種時空性質，。只有當你去測量具體物體，具體天體，具體星團的引力的時候，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兩個質點。
這樣把牛頓引力定理就引了出來：任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質量的乘積成正比與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學組成和其間介質種類無關。
數(shù)學公式表述為：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，是一種絕對時空理論。愛氏的廣義相對論是一種“動態(tài)”的引力理論，是一種相對時空理論。這是愛氏先進的地方。
也就是說牛頓的引力理論有局限性，不適于高速運動的物體。因為相對論效應，高度運動的物體質量會增大。如果牛頓認為質量是不因運動速度變化的，那么自然就不會認識到這點。
這也是為什么重新定義質量。就是將質量回歸能量的本質。然后用能量來定義質量。即：質量是物體在相對時空中的一種物理屬性，物體所蘊含能量的多少是物體質量的量度。
這樣就把質量始終放在相對論時空下的質量了。那么牛頓萬有引力定理錯誤了嗎？其實不能說錯誤了，是不夠究竟，和不準確。這在人類認識宇宙世界過程中必須要經(jīng)歷的。
引力場，引力的本源都是時空。引力波就是時空的漣漪。在這里要提出電磁波的概念。引力波和電磁波是不同的。引力波是時空的漣漪，電磁波是電磁場產生的。他們的關系會在后面詳細剖析和論述。
上面給大家介紹了引力波被探測到的過程。黑洞在合并的過程會損失若干個太陽質量，這些太陽質量以能量的形式震蕩開來，被檢測到，即引力波。
就是說時空也是能量時空，引力和引力場的本源就是能量時空。它是一種時空性質。引力波就是時空的巨大變化引起的，不像電磁波那樣。
引力理論
既然引力，引力波，引力場的本源都回歸于能量時空，那么所謂的引力子就是能量的最小單位——能量子。
所以說引力子這個東西的探究需要謹慎，極有可能竹籃打水一場空。因為引力是時空性質。時空是能量時空，所有的一切都是構成能量時空的物質。
也就是說所有的量子力學體系下的粒子也屬于能量。那么如此，愛氏的廣義相對論更應該可以與其他三種基本力融洽。也就是說需要建立一個“能量場論?！边@個還要再下一章詳細講。
最后再給大家強調這樣一點，其實既然所有的物質東西都是能量。那么其實統(tǒng)一理論的現(xiàn)有描述已經(jīng)出來了。那就是能量守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一個物體傳遞給另一個物體，而且能量的形式也可以互相轉換。
在不同的領域有不同的表達，如下文：
1、保守力學系統(tǒng)
2、熱力學系統(tǒng)
2、相對論理論
4、流體力學
在流體力學中有一種邊界層表面效應，又稱"伯努利效應“。是指流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加，伯努利效應是流體力學中的能量守恒定律。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。
5、電磁學
根據(jù)楞次定律，感應電流所產生的磁場總是阻礙原磁場磁通量的變化，這種阻礙的結果就使得電磁感應的過程中將其他形式的能量轉化為電能，感應電流形成回路，再將電能轉化為其他形式的能量。也就是說，楞次定律所揭示的感應電流與原磁場的關系本質仍然是能量轉化的關系，即能量守恒定律。
6、化學
質量守恒定律：在化學反應前后，參加反應的各物質的質量總和等于反應后生成的各物質的質量總和。這就叫做質量守恒定律
諾特定理把對稱性跟守恒量聯(lián)系起來了，非常有用。是指對于力學體系的每一個連續(xù)的對稱變換，都有一個守恒量與之對應。對稱變換是力學體系在某種變換下不變。
表述：對于每個局部作用下的可微對稱性，存在一個對應的守恒流。
定理的形式化命題僅從不變性條件就導出和一個守恒的物理量相應的流的表達式。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無散度向量場。
而且絕對零度不可達到，就說明一切物體具有能量！這一點知識所深刻表達的內容是引力是永恒存在的，時空是永恒存在的。所以愛氏和霍金的宇宙有限論是不可靠的。
參考書目
柏格曼著，周奇、郝蘋譯：《相對論引論》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,Introductionto the Theory ofRelativity,Butterworths,London,1958.)
溫伯格著，鄒振隆譯：《引力和宇宙論》，科學出版社，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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