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重力

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地球重力場中的重力探測器B
萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉

重力英語:Gravitation或Gravity),又稱萬有引力Universal Gravitation),是指具有質量的物體之間相互吸引的作用,也是物體重量的來源。

重力與電磁力弱交互作用力強交互作用力一起構成自然界的四大基本交互作用。在這四種基本交互作用中,重力是最弱的一種,但同時也是一種長程有效作用力[1]。在現代物理學中,重力一般由廣義相對論來精確描述,認為重力反映了物體的慣性彎曲時空中的表現。而古典力學中的牛頓萬有重力定律則是對重力在通常物理條件下的極好的近似描述。

地球上,地球對地面附近物體的萬有引力賦予了物體的重量,並使物體落向地面。在宇宙中,重力讓物質聚集而形成天體,同時也讓天體之間相互吸引,形成按照軌道運轉的天體系統。此外,月球以及太陽對地球上海水的重力,形成了地球上的潮汐

理論史[編輯]

牛頓的萬有重力定律[編輯]

在1687年,艾薩克·牛頓在他的《自然哲學的數學原理》一書中發表了萬有重力定律。牛頓的萬有重力定律的陳述如下:

宇宙中每個質點都以一種力吸引其他各個質點。這種力與各質點的質量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比。
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. — 艾薩克·牛頓,自然哲學的數學原理

如果兩個質點的質量分別為,並且在它們之間的距離為,則它們之間的萬有引力

其中,是被稱為重力常數(或萬有重力常數),2014年CODATA推薦的重力常數值是。 註:只有當兩個物體之間的距離遠大於物體的幾何尺寸時,物體可以近似看作質點,這個公式才是適用的。否則應當把物體分割為足夠小的質點,兩兩之間計算重力,而後進行積分

重力的單位有牛頓(N)或是達因(cgs),在國際單位制中,1公斤的物體在地球表面的重量大約是。在CGS制中,1的物體在地球表面的重量大約是重

廣義相對論[編輯]

重力源附近扭曲的時空

1916年,阿爾伯特·愛因斯坦發表廣義相對論,用幾何語言描述的重力理論,它代表了現代物理學中重力理論研究的最高水平。廣義相對論將古典的牛頓萬有重力定律包含在狹義相對論的框架中。在廣義相對論中,重力被描述為時空的一種幾何屬性(曲率);而這種時空曲率與處於時空中的物質輻射能量-動量張量直接相聯繫,其聯繫方式即是愛因斯坦場方程式(一個二階非線性偏微分方程式組)。

重力傳播的速度[編輯]

對於重力傳播的速度基本有三種理論:

  1. 牛頓的超距作用觀點,認為重力的傳遞不需要時間(速度無限大)。這理論已被相對論推翻。
  2. 重力的速度是超光速的某值。這理論也已被相對論推翻。
  3. 現在所普遍認定的是愛因斯坦所提出的說法,即重力的傳播速度是真空中的光速

相關內容[編輯]

地球重力[編輯]

各個行星天體,包括地球,都具有其自身的萬有引力特性。假設一個球形對稱的物體,對一特定位置的重力強度和物體質量成正比,和位置和物體球心的距離成反比。

一位置的重力場強度等於一物體放置在該位置時,受影響而產生的加速度地球表面的自由落體加速度被表示為g,可以用以下的標準重力表示:根據國際度量衡局(BIPM)的資料,標準重力為9.80665m/s2或者32.1740ft/s2[2][3]

這表明,如果忽視空氣阻力的影響,在地表附近正在自由落體的物體速度每秒將增加9.81 m/s(大約22mph)。因此,一個從靜止開始下落的物體在一秒後的速度將達到9.81 m/s,第二秒將達到19.62 m/s,以後的情況也將依此類推。

若一質量和地球相當的物體(圖中較小的圓)接近地球(圖中較大的圓),則可以觀測到地球因受吸引而產生的加速度

根據牛頓第三運動定律,地球同時也受到下落的物體等值反向的力的作用,意味著地球也將加速向物體運動。但是,由於地球巨大的質量,這個加速度小到難以察覺。

自由落體方程組[編輯]

在一般情況下,物體因不變的重力持續作用而運動時,一組動力學方程組可描述它運動的軌道。例如,牛頓萬有重力定律給出了一個簡單的方程式F = mg,其中m代表物體的質量。當物體自由落體向地球的距離可以以我們日常用到的距離衡量時,這個猜想是合理的;但若用於對大距離譬如太空船的軌道進行計算時,這將導致極大的誤差。

萬有引力和天文學[編輯]

牛頓的萬有重力定律的發現和應用被用於計算和了解我們的太陽系內各個行星的詳細資訊、太陽的質量、恆星間的距離,甚至被用於推測暗物質理論。儘管人類還沒有去過太陽和其他星球,我們都可以知道它們的質量。這些都是通過萬有重力定律研究得出的。在空間中任何物體都按照一定的軌道圍繞某些大質量物體運轉,它們之間的萬有引力保持著它們的軌道。行星圍繞恆星運轉,恆星圍繞星系中心運轉,星系圍繞星團中心運轉,星團圍繞超星系團運轉。

萬有理論[編輯]

在上個世紀,另外三大基本交互作用:強交互作用、弱交互作用和電磁交互作用的產生機制已經通過傳遞相對作用的規範玻色子的觀念加以解決。現在人們正在嘗試將規範玻色子、相對論與萬有引力聯合成為一個統一的整體。因此,重力交互作用是如何與其他三個基本作用互相影響的是一個未決問題。

應用[編輯]

極大數量的機械發明的正常運行在某種程度上依賴於重力而實現。例如,高度差可以提供有用的液壓,這是靜脈滴注水塔的運作原理。利用水的重力位能發電的水力發電裝置亦可以這種能量將電車推上斜坡。同樣,纜繩上懸掛的重物可通過滑輪使纜繩及纜繩位於滑輪另一邊的那一部分持續地繃緊。

還有更多的例子:比如說熔,當鉛水從霰彈塔的頂端灌入後,會變成一顆顆如雨點一般散落的鉛彈——首先被分離成為多個小液滴,形成熔融狀態的球體,之後逐漸凝固為固體,並在被眾多相同的熔融石的共同作用下,最終在自由落體中冷卻形成球形或近球形。重力驅動時鐘由重力位能提供運行的能量,擺鐘則依賴於重力來校準時間。人造衛星的正常運行則是運用牛頓《原理》計算的結果。

可供參考的理論[編輯]

歷史上的各種理論

最近的各種理論

相關條目[編輯]

註釋[編輯]

  1. ^ 物質間的基本交互作用力. 中華民國國科會高瞻自然科學教學資源平台. [2013-12-05]. 
  2. ^ Bureau International des Poids et Mesures. The International System of Units (SI) (PDF). 8th ed. 2006 [2009-11-25]. Unit names are normally printed in roman (upright) type ... Symbols for quantities are generally single letters set in an italic font, although they may be qualified by further information in subscripts or superscripts or in brackets.  |chapter=被忽略 (幫助)
  3. ^ SI Unit rules and style conventions. National Institute For Standards and Technology (USA). September 2004 [2009-11-25]. Variables and quantity symbols are in italic type. Unit symbols are in roman type. 

參考資料[編輯]

  • Halliday, David; Robert Resnick; Kenneth S. Krane. Physics v. 1. New York: John Wiley & Sons. 2001. ISBN 978-0-471-32057-9. 
  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. Physics for Scientists and Engineers 6th ed. Brooks/Cole. 2004. ISBN 978-0-534-40842-8. 
  • Tipler, Paul. Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics 5th ed. W. H. Freeman. 2004. ISBN 978-0-7167-0809-4. 
  • 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 978-0-917406-09-6
  • 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 978-0-520-08816-0 ISBN 978-0-520-08817-7
  • 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.)

外部連結[編輯]