簡論相對論后的新萬有引力

曹燁

(上海智活信息科技發展有限公司,上海 201824)

簡論相對論后的新萬有引力

曹燁

(上海智活信息科技發展有限公司,上海 201824)

本文是我在留學歐洲時的一個小發現。萬有引力定律把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來,對以后物理學和天文學的發展具有深遠的影響。萬有引力定律經過了牛頓,愛因斯坦,霍金時代的發展。然而,我們發現原來的萬有引力定律有其局限性。經過研究,萬有引力可能是能量作用等慣性造成的。我們并對原有的引力公式推敲、修改,成為了新的引力公式。

引力能量慣性相對論量子力學

我是在中學階段學習牛頓理論，到大學自學相對論，和看霍金的一些書。在學習當中產生了自己的一些體會，本文是我在留學歐洲時正遇愛因斯坦年然后觸景生情的一個小發現。

萬有引力定律第一次解釋了(自然界中四種相互作用之一。萬有引力是最弱的相互作用。)一種基本相互作用的規律，在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

但當人們還在為牛頓被一只蘋果砸到而發現萬有引力的故事津津樂道時，我們卻發現這個定律是不完備的。本來引力的描述是，它大小與它們的質量乘積成正比，與它們距離的平方成反比。質量大小成了牛頓萬有引力學說的重點。在古代，亞里士多德建立了具有不同質量的物體是以不同的速度下落的理論。到了科學革命時期，伽利略·伽利萊用試驗推翻了這個理論－如果忽略空氣阻力，那么所有的物體都會以相同的速度落向地面。艾薩克·牛頓被蘋果砸到時發現地心引力，進而引伸出萬有引力定律(1687年)，是一個用來描述通常重力行為非常好的近例。萬有引力顧名思義就是萬事萬物(物質和能量)都具有引力。但有一般生活常識的人都知道，我們周圍質量大的物體，例如建筑，高山，或大的金屬本身卻不產生任何引力。還有我們的宇宙之初可能是一個超質量物質導致的宇宙嗎，那只能是個能量體的演化。其實我們所處的環境和宇宙是相當復雜的，很多理論和公式都是有條件約束的或許只是個近似，是相對的。

后來，愛因斯坦的相對論發展了這一學說。愛因斯坦先是發現了質能方程，使我們了解到質量和能量的關系。并且愛因斯坦預言到，萬有引力來源于存在質量對時空的扭曲。但在經典物理學中，質量和能量還是有區別的。我們進一步觀察，如果說有一物質能使自然空間扭曲，并且遠距離的影響空間其它物質，這一角色準確的說非能量不可。

原子是化學反應的基本微粒。每一種元素至少有一種不穩定的同位素，可以進行放射性衰變。這直接導致核轉化，即原子核中的中子數或質子數發生變化。電子占據一組穩定的能級，或者稱為軌道。當它們吸收和放出光子的時候，電子也可以在不同能級之間跳躍，此時吸收或放出光子的能量與能級之間的能量差相等。電子決定了一個元素的化學屬性，并且對原子的磁性有著很大的影響。1913年英國科學家莫色勒利用陰極射線撞擊金屬產生X射線，發現原子序越大，X射線的頻率就越高。

我們再來看宇宙中的情況，在宇宙中恒星是星體中占有主導地位的星體，在恒星上發生的核反應是恒星輻射出巨大能量的源泉。在我們的太陽系中，所有行星就是圍繞著太陽這顆恒星轉動的。你們很容易就察覺到一般星體和恒星的區別決非只是在質量上。況且質量越大的恒星，壽命越短暫，主要是因為質量越大的恒星核心的壓力也越高，造成燃燒氫的速度也越快。可以推算宇宙的中心存在這樣一種勢能，而非超質量物質。這就像宇宙的精神所在。有很多論點說宇宙不存在中心，那么沒有中心的宇宙還能叫宇宙嗎。

德國天文學者開普勒，在從1618年至1621年分三階段發表的著作《哥白尼天文學概要》里，最先提出術語“慣性”，拉丁語為“懶惰”的意思，與當今的詮釋不太一樣。開普勒以對于運動變化的抗拒來定義慣性，這仍舊是根據亞里斯多德的靜止狀態為自然狀態的前提。一直要等到后來伽利略的研究與牛頓將靜止與運動統一于同一原理，術語慣性才能應用于當今其所賦有的概念。

對于慣性認識的一個重要進展是能量與慣性的關系。

阿爾伯特·愛因斯坦于1905年在論文《論動體的電動力學》里提出的狹義相對論，這是一個嶄新的物理理論，是建立于伽利略與牛頓研究出來的慣性與慣性參考系。它統一了力學理論和電磁學理論，帶來了時空觀的根本變革。愛因斯坦隨后證明質能關系，E=mc2，一定的質量對應于一定的能量，反之一定的能量對應一定的質量。

在這里，能量包括了能量的各種形式，突破了上面把某一種形式的能量與慣性聯系起來的認識。這樣，慣性是能量的屬性，能量具有慣性(質量)，任何慣性質量都應歸因于能量。作為物理學基本概念和物質的量的質量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、動量等概念要比質量、力等概念要重要得多。

盡管這劃時代的理論實際地改變了許多牛頓概念，像質量、能量、距離，那時后，愛因斯坦的慣性概念與牛頓的原本概念絲毫沒有任何差異。實際而言，整個理論是建立于牛頓的慣性定義。但這也使得狹義相對論的相對性原理只能應用于慣性參考系。在這種參考系里，不受外力的物體，必定保持其靜止或勻速直線運動狀態。

為了處理這局限，愛因斯坦于1916年發表論文《廣義相對論的基礎》提出廣義相對論。這理論能夠應用于非慣性參考系。但是，為了達到這目的，愛因斯坦發覺，他必需使用到彎曲時空的新概念，而不是傳統的牛頓力的概念，來重新定義幾個基礎概念(例如引力)。

因為這重新定義，愛因斯坦還以測地誤差重新定義了慣性的概念，這又引起一些微妙但重要的結果。根據廣義相對論，當處理大尺寸問題時，不能使用與倚賴傳統牛頓慣性。幸運地，對于足夠小的時空區域，狹義相對論仍舊適用，慣性的內涵與工作仍舊與經典模型相同。

狹義相對論的另一個深奧的結果是，能量與質量不是互不相干的物理屬性，而是可互相轉換的。這嶄新關系也給予慣性概念新的內涵。狹義相對論的邏輯結果是，假若質量遵守慣性原理，則能量必也遵守慣性原理。對于很多狀況，這理論大大地拓寬了慣性的定義，能夠應用于物質與能量。

我們知道，就是所有物體的慣性質量(F=ma中的m)和被動的引力質量(引力場作用其上的質量)均相等。愛因斯坦找到了這塊基石，并由此發展了廣義相對論，這實在是愛因斯坦獨具慧眼、超群絕倫的偉大貢獻。慣性這個問題已經成為困擾現代物理學者的難題，雖然擁有偉人牛頓經典理論。但在科技時代出現許許多多的現象用以前的理論是無法解釋的。使用曾經的經典無法解釋的。也是現代物理的奠基人愛因斯坦留個我們后人的問題。愛因斯坦無法解釋慣性，所以無奈的把相對論分成廣義的和狹義的。他的人生一直被這個問題困擾還是沒有答案。

如果從物理公式上推敲，我們參考牛頓的力學公式F=ma，和應用愛因斯坦的公式E=mc2，我們可以修改萬有引力公式為F萬=G (E1E2)/R2。如果按現在這個公式來看，在物理學英語中GER可以是量子的意思，或許這可以和量子力學達成關系。如果從一般英語來看，又可以看成是英語Germany，可能上帝創造宇宙的意識就是想建立一個有德的民主國家吧。這樣修改后(在原有基礎上)的公式的

············表示形式從文字上翻譯就可以表現出信達雅的效果。萬有引力可能是整個宇宙傳遞的一種屬性。這樣我們又可以假設光也具備一定的引力。由此我們又想到，以往在科學上的定律還有多少是不符合自然的。實際上，度規的可微階也許并沒有多少物理意義。我們總能用C∞度規來代表我們的測量。時空的模型完全可以認為是C∞的。

如果我們還是用原來的理論考慮問題，那肯定是要鬧大笑話的，我們的自然界也將變的非常的混亂。地球上的一切也不可能被制造出來，因為大質量產生大引力，我們制造的一切都會相互吸引而沒有結果的團在一塊，這是多么可怕的場景啊。

[1]阿爾伯特·愛因斯坦.相對論的意義[M].上海:上海科技教育出版社,2005.

[2]S·W·霍金,G·F·R·埃利斯.時空的大尺度結構[M].湖南:湖南科學技術出版社,2006.

[3]安東尼·黑.新量子世界[M].湖南:湖南科學技術出版社,2005.

[4]高山.量子[M].北京:清華大學出版社,2003.

[5]霍金.時間簡史[M].湖南:湖南科學技術出版社,2002.