有人認(rèn)為,根據(jù)牛頓萬有引力理論,引力大小與距離成反比,與質(zhì)量成正比。也就是說兩個(gè)天體距離越近,引力越大。那么距離無限近,貼在一起,引力就會(huì)變得無限大嗎?
在現(xiàn)代物理學(xué)中,牛頓的萬有引力已經(jīng)被愛因斯坦相對(duì)論所修正。愛因斯坦廣義相對(duì)論解釋了萬有引力的本質(zhì),就是質(zhì)量對(duì)時(shí)空扭曲導(dǎo)致的現(xiàn)象,因此引力是質(zhì)量的根本屬性。
凡是具有質(zhì)量的物體,小到一個(gè)原子,大到一個(gè)星球,都會(huì)對(duì)時(shí)空造成擾動(dòng),科學(xué)家們把這種擾動(dòng)做了一個(gè)形象的實(shí)驗(yàn):將一個(gè)鐵球,放在一張繃緊的床單上,就會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)凹陷,質(zhì)量越大的鐵球,凹陷就越大,如果有個(gè)小球經(jīng)過大球附近,就會(huì)掉入大球形成的凹陷中,撞向大球。
這些大大小小的球,就是質(zhì)量,而繃緊的床單就是時(shí)空。這種比喻很形象,也有一定的道理,但受到局限,并不完全體現(xiàn)出時(shí)空扭曲的樣子。
事實(shí)上質(zhì)量對(duì)時(shí)空扭曲是全方位的,四面八方無死角的。就是說物體周圍都是時(shí)空陷阱,或叫時(shí)空漩渦,質(zhì)量越大,漩渦就越大,而小質(zhì)量物體對(duì)時(shí)空的擾動(dòng)很小,甚至可以忽略不計(jì)。
從現(xiàn)象看,這種時(shí)空漩渦導(dǎo)致的物體相互靠攏現(xiàn)象就好像它們之間具備了吸引力,引力就是這么來的。
所有物體都是由于這種引力凝聚在了一起,小物體就成了一個(gè)大物體,這個(gè)大物體外圍的所有物質(zhì)都是圍繞在一個(gè)核心上,這個(gè)核心就被稱為“質(zhì)點(diǎn)”。
小到一滴水、一頭豬、一個(gè)人、一輛汽車、一棟房子、一座山,大到一個(gè)星球,都有引力和質(zhì)點(diǎn)。
但引力是這個(gè)世界存在的四種基本力,即強(qiáng)力、電磁力、弱力、萬有引力中最弱的力。
小物體的引力極小,甚至難以衡量,但到了一個(gè)星球,質(zhì)量足夠大的時(shí)候,就成了一個(gè)球型,就不像一頭豬、一個(gè)人、一座山那樣的奇形怪狀了。
這是因?yàn)橐Ρ憩F(xiàn)出的重力克服了物體的剛體力,可以抹平過于突出的部分,讓自己呈現(xiàn)出流體靜力平衡的狀態(tài),比如月球、地球、太陽。
由此我們可以得出一個(gè)結(jié)論,引力的大小雖然是以質(zhì)量為依據(jù),但引力是圍繞著質(zhì)心展開的,距離質(zhì)心越近,引力越大,反之越小。
因此,現(xiàn)在我們言歸正傳,兩個(gè)物體之間距離無限趨近于零時(shí),引力會(huì)變得無限大嗎?
問題本身說的是兩個(gè)“物理”之間,大概是筆誤,時(shí)空通訊理解應(yīng)該是兩個(gè)“物體”之間吧,所以從這個(gè)方面來解釋。
怎么理解兩個(gè)物體之間距離無限趨近于零,才是本問題的關(guān)鍵。
兩個(gè)人,床上那點(diǎn)事,算不算無限趨近于零?地球和月球靠在一起甚至相撞,算不算趨近于零?如果這樣理解,引力是無法變得無限大的,只能說,距離越近,引力越大。
事實(shí)上,引力是越接近質(zhì)心,就會(huì)趨向于越大,而且并不需要兩個(gè)質(zhì)心趨近于零,也就是質(zhì)心重合,才會(huì)導(dǎo)致引力無窮大,還隔那么一點(diǎn),就會(huì)趨向于無限大,大得連光都逃脫不了。
說到這,我們腦海里可能蹦出了一個(gè)物體,就是“黑洞”。因?yàn)樵谖覀兂3B牭降氖挛镏校挥泻诙?,才能鎖住光,讓光都無法逃脫。
黑洞并不是零直徑,為啥引力能夠無限大呢?前面說的還隔那么一點(diǎn),這個(gè)一點(diǎn)有多大呢?
這個(gè)問題其實(shí)在100多年前就有人給出了答案,這個(gè)偉大人物就是卡爾·史瓦西,是一位英年早逝的德國物理學(xué)家。1915年12月,他在愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論1個(gè)月后,就得出了愛因斯坦引力場(chǎng)方程的精確解。
這個(gè)解就是任何物質(zhì)都有一個(gè)質(zhì)量臨界點(diǎn),任何物體縮小到這個(gè)臨界點(diǎn),都無可奈何的會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞,里面的引力變得無限大。
后來人們把這個(gè)臨界點(diǎn)叫做“史瓦西半徑”,又叫“事件視界”。這個(gè)半徑是一個(gè)球狀對(duì)稱、不自轉(zhuǎn)的物體,半徑的大小與物體的質(zhì)量成正比。
計(jì)算一個(gè)天體史瓦西半徑的公式為:
Rs=2GM/c^2
Rs為天體的史瓦西半徑,G為萬有引力常數(shù)(G=6.67×10N·m/kg),M為天體的質(zhì)量,c為光速。
根據(jù)公式計(jì)算,太陽的史瓦西半徑約2952米,地球的史瓦西半徑約9毫米,目前人類已知最大的恒星r136a1質(zhì)量是太陽約300倍,其史瓦西半徑約900千米。
這就是說,當(dāng)這些星球縮小到自己的史瓦西半徑以內(nèi)時(shí),這個(gè)范圍內(nèi)的引力就會(huì)變得無限大。也就是說在史瓦西半徑范圍內(nèi)無限大,在史瓦西半徑以外,引力并不會(huì)無限大,只是越接近越大而已,對(duì)于黑洞也是如此。
現(xiàn)在我們應(yīng)該明白了吧,當(dāng)兩個(gè)物體表面靠近時(shí),靠得再近引力也不會(huì)無窮大,只有靠近其質(zhì)點(diǎn)時(shí),引力才會(huì)趨向于無窮大,但并不需要完全靠攏質(zhì)點(diǎn),而是只要到了物體質(zhì)量的史瓦西半徑,引力就會(huì)變成無窮大。
質(zhì)點(diǎn)是零點(diǎn),沒有體積,在黑洞中心被稱為奇點(diǎn)。
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