重力

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消歧義
本文講述的是科學上的概念。關於日本漫畫，詳見「萬有引力 (漫畫)」。

万有引力，又名引力相互作用或重力相互作用。在一般使用上，常亦称为重力。

在物理学上，万有引力或重力是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势。万有引力即重力相互作用是自然界的四大基本相互作用之一，另外三种相互作用分别是电磁相互作用、弱相互作用及强相互作用。万有引力是上述相互作用中作用力最微弱的，但是在超距上万有引力仍然具有吸引力的作用。在经典力学中，万有引力被认为来源于重力的力的作用。在广义相对论上，万有引力来源于存在质量对时空的扭曲，而不是一种力的作用。 在量子重力中，引力微子被假定为重力的传送媒介。[參 1]

在地球上重力的吸引作用赋予物体重量并使它们向地面下落。此外，万有引力是太阳和地球等天体之所以存在的原因；没有万有引力天体将无法相互吸引形成天体系统，而我们所知的生命形式也将不会出现。万有引力同时也使地球和其他天体按照它们自身的轨道围绕太阳运转，月球Clark, John, O.E.（2004）．The Essential Dictionary of Science．Barnes & Noble Books．ISBN 0760746168． 按照自身的轨道围绕地球运转，形成潮汐，以及其他我们所观察到的各种各样的自然现象。

万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转

目录

重力和万有引力

万有引力

万有引力是两个具有质量的物体间相互吸引的作用，存在于任何有质量的物体之间。实验表明，万有引力的大小与两个物体的质量分别成正比，与他们质心间的距离的平方成反比，用公式表达为：

F=G \frac{m_1 m_2}{r^2}

其中m1、m2分别是两个物体的质量，r为两者质心间的距离，G为一个常数，称为万有引力常数，其值约等于6.67259×10-11 公斤-1·公尺3·秒-2 [1]。

重力的量与单位

在一般文献中，重力（或引力）表示物体在天体（特别是地球）表面或附近所受到的万有引力。重力的量度值一般称为重量。需要注意的是即使在经典力学中，重量也不同于质量，并不是物体本身固有的属性，而与所处的天体有关。另一方面，天体的自转使得物体在地面参照系中表现为受到向心力（科里奥利力）的作用。由于一般来说科里奥利力相对于万有引力十分微小，在粗略计算时通常不考虑后者，或者将两者的合力称为重力。

重力的符号是W，公式為W=mg。這裡m表示物体的质量，g表示物体所在点的重力加速度。

重力的单位有牛顿（N）或是達因(cgs)，在MKS制中，1公斤的物体在地球表面的重量大约是9.8 kg \cdot m \cdot s^{-2}。CGS制中，1克的物体在地球表面的重量大约是重980 g \cdot cm \cdot s^{-2}。

重力加速度

地球表面重力加速度的数值受高度、纬度及地球自转的影响。一般计算中g可近似的取作标准重力加速度，即g=gn=9.80665 m/s2 [2]。

两者的微妙差别

在中国大陆，重力的确切定义是：在地面或地面附近物体受到地球吸引的万有引力和随地球自转所需的向心力相减的合力。除此之外，重力和万有引力还有一些微妙的差别，以下列举了一些不同的说法：

  • 重力是天体（如地球）对相对微小物体（如皮球）的引力。
  • 重力特指地球对物体的引力（这里不包括因物体受到的向心力而耗损的那部分引力）。

另外，在某些文献中，万有引力在本质上也不等于重力。万有引力所描述的现象并不依赖于其他特殊的原因。一些理论认为有可能万有引力的存在不取决于力的作用；依照于广义相对论，这的确是正确的。“重力”特别代表地球产生的吸引力，用“万有引力”代表普遍意义上的物质间的相互吸引力。在专业使用上，“万有引力”是指物体加速靠近另一个物体的趋势，“重力”则是某些理论用于解释导致这种加速行为的“力”。

在17世紀艾萨克·牛顿闡明他的萬有引力定律前，大多數人對重力並不瞭解。儘管牛頓萬有引力定律已被愛因斯坦的廣義相對論上更進一步的解釋所取代，但由於牛頓的理論非常簡明，且在一般情況下所得結果的準確性與廣義相對論並無差別，因此在許多日常實際應用中仍廣泛使用。雖然科學界對大多數重力的性質已經瞭解，但萬有引力的形成原因仍是一個未決的問題，因而重力研究還是科學上的一個重要課題。

万有引力理论的历史

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在古代和中世纪，万有引力被认为是位置的一种性质，而不是物质的性质。

从公元前4世纪的希腊哲学家亚里士多德起，历史上对万有引力就有着众多的猜想或解释。亚里士多德认为没有起因就没有结果，因此没有力的作用的运动是不存在的。他推断在水晶球模型中，所有物体都有朝它们正确的位置靠近的趋势，并且物体按他们自身的重量的比例向地球的中心坠落。在公元628年，印度天文学家婆罗摩笈多（Brahmagupta）首先认识到重力是一种吸引力的作用。他解释说：“物体向地球坠落是因为地球对物体自然地吸引，就如同水自然地流动一般”。他用了一个梵语术语“gruhtvaakarshan”代表重力，在发音上，与英语中的“gravity”相像，并且都表示同一个意思“吸引力”。婆罗摩笈多亦坚持阿里亚哈塔（Aryabhata）于公元499年提出的以万有引力维持的太阳为中心的太阳系观点。因此，他理解到了太阳和地球之间存在着一种吸引力的作用。

从17世纪起，科学家把万有引力看作是物质的一个属性。一个物体吸引另一个物体的力量大小，视物体所含物质的多少和隔开它们的距离而定，这种力量是相互作用的。哥白尼认为万有引力是物质集聚的一种方式，万有引力的中心是一个几何性质的点。

1600年威廉·吉尔伯特提出磁力可能是维持太阳系存在的原理。他设想万有引力就是地球这块庞大磁石作用于周围物体的磁力，而且遍及整个太阳系，成为宇宙的外膜。吉尔伯特证明，磁石对一块铁的吸力大小视磁石的大小而定，磁石越大，对铁块的吸力也越大。而且吸引是互相作用的，磁石吸铁，铁也同样吸引磁石。他的研究为近代引力观念提供了一个模型。万有引力的中心并不是什么几何点，而是具体的一堆物质，它的力量随着物质数量的增加而增加。

开普勒发展了吉尔伯特的万有引力观念，他假定万有引力是和磁力类似的东西，是同性物体之间的一种相互感应，这种力视物体的大小而定。

在这些基础上，英国数学家艾萨克·牛顿爵士于1687年发表了著名的《原理》一书，第一次假定了万有引力定律。他写道：“我推断这种使行星围绕既定轨道运动的力一定与它们与绕轴转动中心的距离平方成反比；而依此将使月球围绕她的轨道运动的力与地表的重力进行比较之后，发现它们的结果是如此的接近。”绝大多数现代非相对论性万有引力的计算都赖以牛顿当年的工作。

牛顿万有引力定律

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在1687年，牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中发表了万有引力定律。牛顿的万有引力定律的陈述如下：

宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。

Every particle in the universe attracts every other particle with a force that is directly proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of the distance between them.

如果这些质点具有质量m1、m2，并且在它们之间具有距离r（它们质心的连线长度），它们之间以万有引力相互作用的量值如下：

F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}

G是被称为万有引力常数（重力常数）的普遍常数。

注：只有当两个物体之间的距离远大于物体的几何尺寸时，物体可以近似看作质点，这个公式才是适用的。否则应当把物体分割为足够小的质点，两两之间计算引力，而后进行积分。

爱因斯坦万有引力理论

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引力源附近扭曲的时空

牛顿的万有引力的概念和量化一直持续到了20世纪初，直到相对论证明其在超距作用上的观点站不住脚後。德国的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论中对万有引力进行了全新的解释。爱因斯坦认为：物质对四元时空的扭曲，产生了牛顿以某些吸引力为原因解释的所谓天体按照测量出的弯曲轨道运行的宇宙。

引力的速度

对于引力的速度基本有三种理论：

  1. 牛顿的超距作用观点，认为引力的传递不需要时间（速度无限大）
  2. 爱因斯坦认为引力传播的速度就是真空中的光速
  3. 引力是超光速的某值

相关内容

地心引力

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各个行星天体，包括地球，都具有其自身的万有引力特性，特别是在水平面上所测量出的万有引力特性。地球表面的重力加速度被表示为g，近似地等于 9.81 m/s2 或者 32.2 ft/S2。这表明，如果忽视空气阻力的影响，在地表附近正在自由落体的物体速度每秒将增加 9.81 M/S（大约22mph）。因此，一个从静止开始下落的物体在一秒后的速度将达到 9.81 m/s，第二秒将达到 19.62 m/s，以后的情况也将依此类推。地球同时也受到下落的物体等值反向的力的作用，意味着地球也将加速向物体运动。但是，由于地球巨大的质量，这个加速度小到难以察觉。

自由落体方程组

主条目：自由落体方程组

在一般情况下，物体因不变的重力持续作用而运动时，一组动力学方程组可描述它运动的轨道。例如，牛顿万有引力定律给出了一个简单的方程F = mg，其中m代表物体的质量。当物体自由落体向地球的距离可以以我们日常用到的距离衡量时，这个猜想是合理的；但若用于对大距离譬如太空船的轨道进行计算时，这将导致极大的误差。

万有引力和天文学

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牛顿的万有引力定律的发现和应用被用于计算和了解我们的太阳系內各个行星的详细信息、太阳的质量、恒星间的距离，甚至被用于推测暗物质理论。尽管人类还没有去过太阳和其他星球，我们都可以知道它们的质量。这些都是通过万有引力定律研究得出的。在空间中任何物体都按照一定的轨道围绕某些大质量物体运转，它们之间的万有引力保持着它们的轨道。行星围绕恒星运转，恒星围绕星系中心运转，星系围绕星团中心运转，星团围绕超星系团运转。

万有引力和基本相互作用

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在上个世纪，另外三大基本相互作用：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的产生机制已经通过载力粒子的观念加以解决。现在人们正在尝试将载力粒子、相对论与万有引力联合成为一个统一的整体。因此，重力相互作用是如何与其他三个基本作用互相影响的是一个未决问题。

应用

极大数量的机械发明的正常运行在某种程度上依赖于重力而实现。例如，高度差可以提供有用的液压，这是静脉滴注和水塔的运作原理。利用水的重力势能发电的水力发电装置亦可以这种能量将电车推上斜坡。 同样，缆绳上悬挂的重物可通过滑轮使缆绳及缆绳位于滑轮另一边的那一部分持续地绷紧。

还有更多的例子：比如说熔铅，当铅水从散弹塔的顶端灌入后，会变成一颗颗如雨点一般散落的铅弹——首先被分离成为多个小液滴，形成熔融状态的球体，之后逐渐凝固为固体，并在被众多相同的熔融石的共同作用下，最终在自由落体中冷却形成球形或近球形。重力驱动时钟由重力势能提供运行的能量，摆钟则依赖于重力来校准时间。人造卫星的正常运行则是运用牛顿《原理》计算的结果。

可供参考的理论

历史上的各种理论

最近的各种理论

参见条目

参考資料

  1. ^ {{{1}}}
  2. ^ {{{1}}}
  • Halliday, David，Robert Resnick; Kenneth S. Krane（2001）．Physics v. 1．New York：John Wiley & Sons．ISBN 0471320579． 
  • Serway, Raymond A.，Jewett, John W.（2004）．Physics for Scientists and Engineers，6th ed.，Brooks/Cole．ISBN 0534408427． 
  • Tipler, Paul（2004）．Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics，5th ed.，W. H. Freeman．ISBN 0716708094． 
  • Jefimenko, Oleg D., "Causality, electromagnetic induction, and gravitation : a different approach to the theory of electromagnetic and gravitational fields". Star City [West Virginia] : Electret Scientific Co., c1992. ISBN 0917406095
  • Heaviside, Oliver, "A gravitational and electromagnetic analogy"（英文）. The Electrician, 1893.
  • Proposition 75, Theorem 35: p.956 - I.Bernard Cohen and Anne Whitman, translators: Isaac Newton, The Principia: Mathematical Principles of Natural Philosophy. Preceded by A Guide to Newton's Principia, by I.Bernard Cohen. University of California Press 1999年 ISBN 0-520-08816-6 ISBN 0-520-08817-4
  • Max Born (1924年), Einstein's Theory of Relativity (The 1962 Dover edition, page 348 lists a table documenting the observed and calculated values for the precession of the perihelion of Mercury, Venus, and Earth.)

外部链接

基本粒子和基本交互作用
基本粒子 費米子: 夸克 ‧ 輕子
玻色子 : 膠子 ‧ 光子 ‧ W 及 Z 玻色子 ‧ 引力子 *# ‧ 希格斯玻色子*
基本相互作用 强交互作用 ‧ 电磁交互作用 ‧ 弱交互作用 ‧ 重力交互作用#
*：尚未發現；#：不在標準模型内
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