为什么万有引力定律、库伦定律都是平方反比?

来源: 《科学世界》

发布日期: 2019-03-07 16:53:08

本文探讨了为什么万有引力定律和库伦定律都是平方反比的原因,解释了在3维宇宙中,力线密度与球面表面积的关系,以及引力与距离的平方成反比的关系。此外,文章还介绍了物理学家关于高维空间和额外维度的理论,以及这些理论如何影响引力的传播和测量。

简而言之:因为我们观察到的宇宙是3维的,所以两个物体之间的引力大小才与它们距离的平方成反比。下面,让我们来仔细分析一下!

用力线表示地球的引力场。假设我们用“力线”来表示地球对周围物体的引力:从地球中心向四周均匀分布着力线。力线的密度越高(穿透一定面积的线数越多),则表示该处的引力越大。接下来分别在距离地球中心不同的位置放置相同面积的四边形,其距离分别为地球半径的1倍、2倍和3倍。

距离地球越远,线与线的间隔越大,所以穿过四边形的线数越来越少。正像牛顿发现的定律所描述的那样,当离地球中心的距离变为2倍远时,力线的密度(引力大小)则变成1倍远时的1/4。而在3倍远时,则是1/9。

力线密度其实与球面的表面积呈反比关系,而球面表面积与半径的平方呈正比,因此力线密度即与距离为平方反比。如果假设世界是2维的。那么,代表引力的力线就会在2维平面上均匀分布。

此时,引力分布的范围就不是球,而是圆,所以,计算力线密度时要除以圆的周长。因此,引力大小与距离的1次方成反比。也就是说,引力与距离的空间维度-1次方成反比。你可能觉得这像是车轱辘话,但其实上,这一点关系到物理学最前沿的假说——高维空间。

萨瓦斯·蒂莫泡罗斯,尼玛·阿卡尼-哈米德与乔治·德瓦利简单地说,物理学家喜欢简明清晰的模型,因此一直希望能把4种基本力统一起来。

可是,相比于弱力、强力、电磁力这3种基本力而言,引力太小了,这是大统一理论最大的困境之一。

在1998年,3位物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)、萨瓦斯·蒂莫泡罗斯(Savas Dimopoulos)和乔治·德瓦利(Georgi Dvali)提出了一个以他们姓氏首字母命名的崭新理论——ADD理论(ADD模型),认为3维空间的引力之所以如此微弱,是因为引力扩散到了高维空间之中。

而且与超弦理论认为高维空间紧致化到了远远小于原子级别不同,ADD理论主张额外维度不一定非常小,有可能达到微米甚至毫米级别。因此也被称为“大额外维度”(large extra dimension)模型。当距离小于额外维度时,引力将切换为高维空间的模式,从而急剧增大。如果额外维度有那么大的话,为什么我们却看不到呢?ADD理论认为,光不能在额外维度中传递,所以,无论额外维度多么大,我们都无法用肉眼看到。

但是,引力却是通过额外维度传播的。例如,在5维空间里,引力将与距离的4次方成反比:如果距离变为2倍的话,引力大小将变为1/16。

也就是说,空间维度高的话,随着距离增大,引力将急剧变弱。反过来说,当距离变近时,引力将急剧变大。如果我们能够测量那些极小的隐藏着的高维空间的引力大小的话,那里的引力应当远远大于3维空间的引力。

科学家仍然沿用卡文迪许扭秤来测量引力,但想要测量0.1毫米甚至更近距离的引力,就需要新的装置。如果能够实际观测到近距离的引力急剧变大这一现象的话,这将成为证明存在额外维度的有力证据。目前,额外维度为1毫米大的可能性已经被验证实验所否定。科学家们正在潜心验证额外维度是否小于几十微米大小。实际上,在小于0.1毫米的短距离内,“引力的大小与距离的平方成反比”这一定律是否成立,尚未得到确切验证。

一些科研机构正在制作一些小型试验装置,来测量大约0.1毫米距离的引力强度。不过,如果额外维度的大小远远小于原子等粒子的话,我们将很难直接测量引力的大小,这时候就需要大型加速器的帮助。

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