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牛顿万有引力定律只是一个近似规律
(《物理学上的时空与物质》13)
物理学上关于时空与物质的基本概念和基本规律
第二章 牛顿力学关于物质的基本概念和基本规律
§2.1 物理学中的物质
§2.2 牛顿力学中的物质
§2.3 牛顿运动三定律---牛顿力学的基本规律
§2.4 对牛顿运动定律的修改
§2.5 在牛顿力学中一切非质点物体都可看成是质点系
§2.6 牛顿万有引力定律
牛顿万有引力定律只是一个近似规律
(《物理学上的时空与物质》13)
牛顿万有引力定律与牛顿运动三定律同是牛顿力学理论的重要组成部分。
牛顿万有引力定律肯定了在任意两个质点之间,存在相互的万有引力:
我们便可以对这两种质量不加区分而统称为质量了。在物理学中把式(2.9)所表明的关系叫做惯性质量同引力质量的等效性。
惯性质量同引力质量的等效性,不仅在牛顿力学中是一个基本关系,在广义相对论中也是研究引力特性的一个基本出发点。鉴于它的重要性,在物理学的历史上,曾不断地做实验对它进行过多次检验。伽利略在斜塔上对自由落体的著名观察,是物理学初期所进行的这类检验。由于当时技术条件的限制,伽利略所做实验的精度当然是不高的,比较精确的实验是从1890年的Eötvös实验开始的。这个实验是用两个引力质量相等但材料不同的物体分别悬挂在扭秤的两臂上,实验的目的是要确定惯性质量同引力质量是否等效,这也就是要确定悬挂在扭秤的两个物体的惯性质量是否相等。如果惯性质量与引力质量不等效,则杆将受到转矩而偏转。Eötvös用一些材料不同的物体悬在扭秤上做过多次实验,在一定误差范围内观察到杆不发生偏转。从而得出结论:在精确度(即相对误差)为10-8的范围内,物体的惯性质量与其引力质量可以认为是相等的。后来这个实验被重复过多次,精确度逐渐提高,到了六十年代和七十年代,一些物理学者用大大改进后的实验仪器重做了Eötvös实验,现在的精度已经提高到0.9×10-12。Eötvös实验是精度相当高的著名物理实验。
‘万有引力’是存在于两处物质之间的相互吸引力,物质处于任何状态都存在万有引力。物质存在的形式可以是场,也可以是质点(或粒子),故‘两处物质之间’的概念包括场与场之间、场与质点之间、质点与质点之间。‘物质处于任何状态’是指,不管物质是场还是质点,不管物质是否运动和运动的速度如何,不管物质是否带电,不管物质粒子是否带有色荷,等等,两处物质之间恒存在‘万有引力’;正因为如此,这个引力才加上‘万有’来形容。
牛顿引力理论认为物质的引力质量是万有引力之源。两个具有引力质量的物体,就必然要出现引力,这仿如两个具有电量的物体,就必然要出现静电力相类似。可是牛顿引力理论的成立是有条件的,它的适用范围是比较狭小的。例如,牛顿引力理论只适用于低速物体和弱引力场的情况,牛顿引力理论也无能处理涉及光子、胶子等质量为零的粒子之引力问题。可是广义相对论能够适用于任何速度的物体和任何强弱的引力场,也能够处理涉及光子、胶子等质量为零的粒子之引力问题。广义相对论认为物质的能动张量(其中包含能量、动量、能量流、动量流)是万有引力之源。一个具有能动张量的物体,必然要在它的周围出现引力场;而这个引力场必然要对位于此场中的另一物体施加万有引力作用。这些内容留在以后详细讲述。 这里先强调指出,牛顿引力理论只是广义相对论在弱场和低速下的近似;广义相对论是目前公认的精确引力理论,而牛顿引力理论不是精确引力理论,它所反映的规律只不过是近似的规律。
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