简论相对论后的新万有引力

曹烨

(上海智活信息科技发展有限公司,上海 201824)

简论相对论后的新万有引力

曹烨

(上海智活信息科技发展有限公司,上海 201824)

本文是我在留学欧洲时的一个小发现。万有引力定律把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。万有引力定律经过了牛顿,爱因斯坦,霍金时代的发展。然而,我们发现原来的万有引力定律有其局限性。经过研究,万有引力可能是能量作用等惯性造成的。我们并对原有的引力公式推敲、修改,成为了新的引力公式。

引力能量惯性相对论量子力学

我是在中学阶段学习牛顿理论，到大学自学相对论，和看霍金的一些书。在学习当中产生了自己的一些体会，本文是我在留学欧洲时正遇爱因斯坦年然后触景生情的一个小发现。

万有引力定律第一次解释了(自然界中四种相互作用之一。万有引力是最弱的相互作用。)一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

但当人们还在为牛顿被一只苹果砸到而发现万有引力的故事津津乐道时，我们却发现这个定律是不完备的。本来引力的描述是，它大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比。质量大小成了牛顿万有引力学说的重点。在古代，亚里士多德建立了具有不同质量的物体是以不同的速度下落的理论。到了科学革命时期，伽利略·伽利莱用试验推翻了这个理论－如果忽略空气阻力，那么所有的物体都会以相同的速度落向地面。艾萨克·牛顿被苹果砸到时发现地心引力，进而引伸出万有引力定律(1687年)，是一个用来描述通常重力行为非常好的近例。万有引力顾名思义就是万事万物(物质和能量)都具有引力。但有一般生活常识的人都知道，我们周围质量大的物体，例如建筑，高山，或大的金属本身却不产生任何引力。还有我们的宇宙之初可能是一个超质量物质导致的宇宙吗，那只能是个能量体的演化。其实我们所处的环境和宇宙是相当复杂的，很多理论和公式都是有条件约束的或许只是个近似，是相对的。

后来，爱因斯坦的相对论发展了这一学说。爱因斯坦先是发现了质能方程，使我们了解到质量和能量的关系。并且爱因斯坦预言到，万有引力来源于存在质量对时空的扭曲。但在经典物理学中，质量和能量还是有区别的。我们进一步观察，如果说有一物质能使自然空间扭曲，并且远距离的影响空间其它物质，这一角色准确的说非能量不可。

原子是化学反应的基本微粒。每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。这直接导致核转化，即原子核中的中子数或质子数发生变化。电子占据一组稳定的能级，或者称为轨道。当它们吸收和放出光子的时候，电子也可以在不同能级之间跳跃，此时吸收或放出光子的能量与能级之间的能量差相等。电子决定了一个元素的化学属性，并且对原子的磁性有着很大的影响。1913年英国科学家莫色勒利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序越大，X射线的频率就越高。

我们再来看宇宙中的情况，在宇宙中恒星是星体中占有主导地位的星体，在恒星上发生的核反应是恒星辐射出巨大能量的源泉。在我们的太阳系中，所有行星就是围绕着太阳这颗恒星转动的。你们很容易就察觉到一般星体和恒星的区别决非只是在质量上。况且质量越大的恒星，寿命越短暂，主要是因为质量越大的恒星核心的压力也越高，造成燃烧氢的速度也越快。可以推算宇宙的中心存在这样一种势能，而非超质量物质。这就像宇宙的精神所在。有很多论点说宇宙不存在中心，那么没有中心的宇宙还能叫宇宙吗。

德国天文学者开普勒，在从1618年至1621年分三阶段发表的著作《哥白尼天文学概要》里，最先提出术语“惯性”，拉丁语为“懒惰”的意思，与当今的诠释不太一样。开普勒以对于运动变化的抗拒来定义惯性，这仍旧是根据亚里斯多德的静止状态为自然状态的前提。一直要等到后来伽利略的研究与牛顿将静止与运动统一于同一原理，术语惯性才能应用于当今其所赋有的概念。

对于惯性认识的一个重要进展是能量与惯性的关系。

阿尔伯特·爱因斯坦于1905年在论文《论动体的电动力学》里提出的狭义相对论，这是一个崭新的物理理论，是建立于伽利略与牛顿研究出来的惯性与惯性参考系。它统一了力学理论和电磁学理论，带来了时空观的根本变革。爱因斯坦随后证明质能关系，E=mc2，一定的质量对应于一定的能量，反之一定的能量对应一定的质量。

在这里，能量包括了能量的各种形式，突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样，惯性是能量的属性，能量具有惯性(质量)，任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。

尽管这划时代的理论实际地改变了许多牛顿概念，像质量、能量、距离，那时后，爱因斯坦的惯性概念与牛顿的原本概念丝毫没有任何差异。实际而言，整个理论是建立于牛顿的惯性定义。但这也使得狭义相对论的相对性原理只能应用于惯性参考系。在这种参考系里，不受外力的物体，必定保持其静止或匀速直线运动状态。

为了处理这局限，爱因斯坦于1916年发表论文《广义相对论的基础》提出广义相对论。这理论能够应用于非惯性参考系。但是，为了达到这目的，爱因斯坦发觉，他必需使用到弯曲时空的新概念，而不是传统的牛顿力的概念，来重新定义几个基础概念(例如引力)。

因为这重新定义，爱因斯坦还以测地误差重新定义了惯性的概念，这又引起一些微妙但重要的结果。根据广义相对论，当处理大尺寸问题时，不能使用与倚赖传统牛顿惯性。幸运地，对于足够小的时空区域，狭义相对论仍旧适用，惯性的内涵与工作仍旧与经典模型相同。

狭义相对论的另一个深奥的结果是，能量与质量不是互不相干的物理属性，而是可互相转换的。这崭新关系也给予惯性概念新的内涵。狭义相对论的逻辑结果是，假若质量遵守惯性原理，则能量必也遵守惯性原理。对于很多状况，这理论大大地拓宽了惯性的定义，能够应用于物质与能量。

我们知道，就是所有物体的惯性质量(F=ma中的m)和被动的引力质量(引力场作用其上的质量)均相等。爱因斯坦找到了这块基石，并由此发展了广义相对论，这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。惯性这个问题已经成为困扰现代物理学者的难题，虽然拥有伟人牛顿经典理论。但在科技时代出现许许多多的现象用以前的理论是无法解释的。使用曾经的经典无法解释的。也是现代物理的奠基人爱因斯坦留个我们后人的问题。爱因斯坦无法解释惯性，所以无奈的把相对论分成广义的和狭义的。他的人生一直被这个问题困扰还是没有答案。

如果从物理公式上推敲，我们参考牛顿的力学公式F=ma，和应用爱因斯坦的公式E=mc2，我们可以修改万有引力公式为F万=G (E1E2)/R2。如果按现在这个公式来看，在物理学英语中GER可以是量子的意思，或许这可以和量子力学达成关系。如果从一般英语来看，又可以看成是英语Germany，可能上帝创造宇宙的意识就是想建立一个有德的民主国家吧。这样修改后(在原有基础上)的公式的

············表示形式从文字上翻译就可以表现出信达雅的效果。万有引力可能是整个宇宙传递的一种属性。这样我们又可以假设光也具备一定的引力。由此我们又想到，以往在科学上的定律还有多少是不符合自然的。实际上，度规的可微阶也许并没有多少物理意义。我们总能用C∞度规来代表我们的测量。时空的模型完全可以认为是C∞的。

如果我们还是用原来的理论考虑问题，那肯定是要闹大笑话的，我们的自然界也将变的非常的混乱。地球上的一切也不可能被制造出来，因为大质量产生大引力，我们制造的一切都会相互吸引而没有结果的团在一块，这是多么可怕的场景啊。

[1]阿尔伯特·爱因斯坦.相对论的意义[M].上海:上海科技教育出版社,2005.

[2]S·W·霍金,G·F·R·埃利斯.时空的大尺度结构[M].湖南:湖南科学技术出版社,2006.

[3]安东尼·黑.新量子世界[M].湖南:湖南科学技术出版社,2005.

[4]高山.量子[M].北京:清华大学出版社,2003.

[5]霍金.时间简史[M].湖南:湖南科学技术出版社,2002.