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2. 不可思议之二:引力的强度非常弱
2015-11-16 15:50:34     我来说两句 
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牛顿研究清楚了万有引力的作用机制。然而,关于这种“力”是如何产生的,连牛顿本人也无法解释。关于引力的产生机制必须等到爱因斯坦的登场,后面的内容会详细介绍这方面。

在此之前,就连引力为“万有”这一牛顿的主张也经历了相当长的时间才得到实际验证。直到18世纪末,人们才根据实验证明了地上的物质之间存在引力作用。当时距离牛顿的发现已经过了100多年。

为什么验证万有引力要历经如此漫长的时间呢?那是因为引力的强度非常弱。

引力几乎把地球上所有物质都束缚在了地面上,所以说它非常弱的话,我想很多人会感到意外。搭乘了“发现”号航天飞机的山崎直子在返回地球的时候也曾说:“我感觉引力非常强大。”从失重的环境回到地球的话,确实能够感到引力“非常强大”。

但是,这里所说的引力非常弱是指与其他“力”相比较而言的。在自然界中,作用于物质的力并不只有引力。我们身边可以举出“磁力”的例子。磁力除了有吸引力之外,还有排斥的力(排斥力),引力却只有吸引力。因此,与引力相比,磁力更强是显而易见的。要想确认这一点也非常简单。

如果手头有一块磁铁的话,在桌子上放上铁制的曲别针,然后拿着磁铁靠近曲别针的上方试试看。冰箱贴大小的磁铁就足够了。当二者靠近到一定程度的时候,曲别针会一跃而起被吸到磁铁上。你或许认为这是一个极为普通的现象,但曲别针然而也确实被下方地球的引力吸引着。地球的质量为60亿× 10亿× 10亿克,越重的物体其引力就越大。我们通过这个简单的实验发现,与拥有如此重量的地球的引力相比,质量仅为几克的磁铁的引力却更强。因此,如果存在与地球重量相同的磁铁在旁边的话,地上所有的铁都将被吸过去吧。

19世纪詹姆斯·克拉克·麦克斯韦统一了磁力和电力,之后将其统称为“电磁力”。感受磁力似乎一定要通过磁铁,不过其实电磁力也是我们身边无处不在的力,就像引力一样。如果不存在电磁力的话,物质就无法聚拢在一起。分子是在电磁力的作用下紧紧聚在一起的,所以有了电磁力,物体(当然也包括我们的身体)才不会四分五裂。

那么,如果聚拢物质的电磁力比引力弱的话,我们就不能把胳膊支在桌子上托腮了吧。胳膊肘应该会穿过桌子,突然掉到下面去。正因为电磁力的强度打败了引力,我们才能放心托腮和坐在椅子上。

因为电磁力如此牢固地聚集着分子,再上引力的强度特别弱,所以即使桌子上的铅笔和橡皮距离很近,它们也不会相互吸引。实际上铅笔和橡皮都有引力,只不过我们看不到它起的作用。

英国的科学家亨利·卡文迪许通过实验确认了如此之弱的引力的存在。那是牛顿公布万有引力理论之后100多年的事情。亨利·卡文迪许使用的实验装置是扭秤。在扭秤上悬挂两个铅球,它们只要在彼此引力的作用下靠近,扭丝就会转动。由于变化过于细微,避免受到空气流动和地面振动等带来的影响十分困难,卡文迪许将该装置放入木箱并置于一个小房间里,使用望远镜从远处对其进行观测,测量出了大约4毫米的转动。

虽然该实验证明了物体间的引力作用,但是还没有通过距离为1/20毫米以下的引力现象来验证牛顿的理论是否正确。例如在牛顿理论中,认为引力的大小与物体间距离的平方成反比。这一定律能够充分解释巨大的天体运动,但当距离缩短到1/20毫米以下(头发的粗度左右)的时候就无法精确地测量了,所以我们不知道该定律是否在这样的距离层面也同样成立。

强度如此弱的引力主导着我们的日常生活,也有人认为不可思议吧。如果电磁力相当强的话,那么忽略引力也就不足为奇了。托腮的时候胳膊肘无法穿过桌子确实是因为电磁力的存在,这点我们无法忽略。但是,苹果和地球间的作用力,月球和地球等天体之间的作用力都是引力所为。

我们之所以在日常生活中关注引力要比电磁力多一些,是因为引力只有吸引力,而没有排斥力。电磁力包含吸引力和排斥力两种力,例如正负电荷相互吸引,电性相同的电荷互相排斥。我们周围的物体基本上都是带有相同数量的正负电荷,正负相抵成了中性,电磁力的吸引力和排斥力也随之互相抵消了。与此相反,引力只有吸引力,即使强度弱,全部叠加起来的话,力也会变得很大。因此,我们受到来自地球的力基本上都是引力。

正如后面内容讲的那样,在研究宇宙的开始和进化,以及宇宙今后会如何变化发展的问题上,引力都是最为重要的部分。

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