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地球質(zhì)量那么大,是怎么漂浮在宇宙中的?

一個誤區(qū)

這里要先澄清一個誤區(qū),那就是不要混淆“質(zhì)量”和“重量”,因為質(zhì)量和重量不是一回事,它們只是有正相關(guān)關(guān)系而已。其次,要體現(xiàn)出重量的前提是有引力,那誰吸引地球把地球往下拉呢?其實,我們想象一下太空飛船中的宇航員就懂了,他們就是有質(zhì)量,但因為引力極小,所以都可以飄起來。

質(zhì)量和重量的區(qū)別

其實,牛頓被認(rèn)為是物理學(xué)的鼻祖,他的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》可以稱得上是物理學(xué)的開山之作。

而在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中,牛頓一上來就定義了質(zhì)量,

物質(zhì)的量是起源于同一物質(zhì)的密度和大小聯(lián)合起來的一種度量。、

具體書中的截圖如下:

如果你仔細(xì)看,你會發(fā)現(xiàn),牛頓甚至也區(qū)別了質(zhì)量和重量,并且他還說到:

質(zhì)量和重量是成比例的。

這個結(jié)論是他從“擺”的實驗中得出來的。其實,我們初高中也學(xué)過物理學(xué),其中質(zhì)量的符號是m,而重量M=mg。這里g就是重力加速度。一般重量的表述形式是:

重力作用在它身上的力。

重力其實是和引力,以及由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力的合力,初高中的物理會認(rèn)為這有個向心力,實際上,我們也可以看成是離心力(初高中物理不這么用),因為由于地球自轉(zhuǎn),人有離心的趨勢。

所以,能夠改變物體運動狀態(tài)的是力,這和質(zhì)量是兩碼事。不過,他們確實嚴(yán)格比例,如今科學(xué)家也做了不少這方面的實驗,他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量和重量的比例關(guān)系在10^-13的精度上還是保持一致的。

這里在補充一點,一般我們說重量,其實是用秤起來的重重,事實上,這里測到的是重力的反作用力。而且不同的環(huán)境重力加速不同,重量也就不同。

這里重力是地球?qū)θ说囊σ约半x心力的合力,到了南北極,我們可以認(rèn)為重力約等于引力。這里離心力沒啥可討論的,我們就討論引力。

在牛頓的體系中,他假設(shè)時間和空間是剛性的,獨立的,引力是一種超距作用。

所謂時間和空間是剛性的和獨立的含義是,1秒和1厘米對于任何人來說都是一樣的,不管這個人在什么樣的參考下(也就是這個人如何運動)而超距作用指的是,順間傳導(dǎo),舉個例子就是,太陽如果消失了,那地球就立馬飛出去,毫不含糊。

引力

牛頓還給出了萬有引力公式,在這個公式中,牛頓其實將引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量看成是等價的。這種等價其實預(yù)示著空間的屬性。

如果你仔細(xì)想一想,庫侖力其實也是類似于這種形式的。

而愛因斯坦就是從這個角度去深入思考,提出了廣義相對論。由于在提出廣義相對論之前,愛因斯坦已經(jīng)提出了狹義相對論,在狹義相對論中,他已經(jīng)統(tǒng)一了“時間”和“空間”,他認(rèn)為:

時間和空間一起組成四維時空,構(gòu)成宇宙的基本結(jié)構(gòu)。

也就是說,運動本身是會改變“時間”和“空間”的,所以狹義相對論才會有例如:時間膨脹或者尺縮效應(yīng)的結(jié)論。這和牛頓認(rèn)為的時間和空間是剛性的,獨立的是不同的世界觀。

所以,愛因斯然基于狹義相對論,在廣義相對論中提出引力的本質(zhì)是時空的彎曲。

惠勒曾有一句著名的描述就是:

時空告訴物質(zhì)如何運動,物質(zhì)告訴時空如何彎曲。

就高度總結(jié)了廣義相對論的這個結(jié)論。

如果把這個觀點運用在太陽系中,那就是說,太陽壓彎了周圍的時空,地球其實是沿著時空的測地線在運動,所謂時空的測地線是指四維時空中兩點之間的最短距離。

所以,其實地球是貼在測地線在運動,從二維上看,就好像在做圓周運動一樣。

所以,地球沒辦法掉下去的,因為它本來就是貼著時空在動,還能往哪里掉呢?

而愛因斯坦的廣義相對論后來在愛丁頓等科學(xué)家的努力之下,獲得了實驗證據(jù)的支撐,并且從廣義相對論出發(fā)預(yù)言的黑洞和引力波,也被科學(xué)家找到了。因此,廣義相對論目前是引力本質(zhì)解釋的主流理論。

質(zhì)量

至于質(zhì)量,在狹義相對論中,愛因斯坦還統(tǒng)一了“質(zhì)量”和“能量”,這也被我們稱為質(zhì)能等價,還有那個著名的質(zhì)能方程,就是在解釋多少質(zhì)量的物質(zhì)含有多少能量。

不過這也只是解釋了質(zhì)量和能量是等價的關(guān)系,不能單獨存在,是一體兩面。對于質(zhì)量本質(zhì)的解釋來自于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。

在這個理論中,物質(zhì)的99%的質(zhì)量來自于束縛夸克的強力所提供的能量(可以通過質(zhì)能等價E=MC^2可以算出來),而1%的質(zhì)量來自于基本粒子夸克、電子等與希格斯場相互作用所獲得質(zhì)量。

所以,你看,重力和質(zhì)量壓根就是兩碼事。

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