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宇宙中引力“不存在”,我們也是“泡”中人,科學家:已經證明



宇宙中引力“不存在”,我們也是“泡”中人,科學家:已經證明

一、引力的線性疊加性

二、均勻球殼內質點間的萬有引力

三、為什么會出現均質球殼內質點受到的引力為零這樣的結果呢?


原文鏈接

劉慈欣在其小說《山》中構想了一種生存在星球內部的硅基文明,從他們的角度來看,他們的世界就是固體宇宙中的一個空泡,所以這個外星文明把自己的世界稱為“泡世界”。在小說中,泡世界的人說:“我們那時候不知道有萬有引力這回事,泡世界中沒有重力,我們生活在失重狀態中。真正意識到引力的存在是幾萬年以后的事情了。”



小伙伴們看到這里可能都會很好奇吧,泡世界里面怎么會沒有重力呢?為了說明這個問題,我們需要回到牛頓那個時代,當年大神牛頓也遇到了一個棘手的難題。在牛頓發展引力理論的過程中,有一步是非常重要的,那就是要把月亮的運動和地球上的落體運動統一 起來,這中間的關鍵問題是,牛頓認為,地球表面落體運動的加速度可以寫成g=Gm/R^2,其中G是萬有引力常數,m是地球質量,R地球半徑。


為什么能把地球看成質點?

牛頓一開始就意識到了這個問題,后來,他給出了嚴格的證明。即多質點體系的引力問題。我們現在在空間中建立一個坐標系,在原點處有一個質量為m的質點,空間中分布著質量分別為m1、m2、m3、……、 mn的n個質點阻證的體系,他們的位置矢量分別為r1、r2、r3……rn,這樣我們可以把該體系對質點m的引力寫成如圖3的公式


這在本質上是認為兩質點之間的引力作用只與這兩質點有關,而與第三者、第四者等是否存在無關,可以不用考慮。這個新的物理內容是引力的一個重要性質,我們稱它為引力的線性疊加性。可以表述為:兩質點間的引力大小與是否存在其他質點無關(即 只有兩體作用,沒有多體作用。)



設球殼內有一個質量為m的質點,其與球心的距離為R,球殼的密度為ρ,球殼的質量為M=ρ4/3(R2^2-r1^2),以球心為原點建立如圖4坐標系。由對稱性可以知道,求對質點的引力必沿著z方向,x,y方向上的合力為0。球殼上一微元對質點的萬有引力為圖5中的公式


在z方向上的分力為圖6


這就說明了,對于均勻球殼來說,球殼內任一質點受到的引力為零。


其原因恰恰是引力與兩個質點之間距離的平方反比關系。如圖,考慮球殼內一個質點m受到兩個椎體內球殼上質點的引力,設其質量分別為M1,M2,當錐頂角θ很小時有M1/r1^=ρS1/r1^2=ρθ,M2/r2^=ρS2/r2^2=ρθ。因此質點m受到兩個方向相反的力,其大小為F1=GM1m/r1^2=Gρθm,F2=GM2m/r2^2=Gρθm。所以有F1=F2,而球殼上 所有的點都可以分成這樣關于質點m的對稱的兩類點,所以質點m所受的合力為零。


這就回答了我們在開篇的時候,提到的劉慈欣的科幻小說《山》中泡世界中的人類為什么感受不到引力存在的問題。

總結:為什么說我們也是生活在“泡世界”呢?

這就是我們前面得出來的那個結論:一個均質球殼對球殼內任一質點的引力為零!這個結論的另外一層含義了。從這個結論我們可以得出,如果星際間星球分布均勻,各項同性。則考慮太陽系內的情況是,來自太陽系外的引力可以不予考慮。否則難以解釋為什么可以忽略無限多的形體在局部范圍內的引力效應。


而現代天文觀測已經證明,宇宙在大尺度(10^8光年)的物質分布是相當均勻的。如果說劉慈欣小說《山》中的人類生活于巖石宇宙的空泡世界之中,那么,我們的太陽系何嘗又不是處于處于一個宇宙中另外一個“空泡”內呢,或者在更大尺度上說,我們的銀河系是處于一個更大的宇宙“空泡”之內。


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