基于現(xiàn)代物理學理論對引力與面積之間聯(lián)系的研究

曾鵬飛

摘 要：引力作為一種宇宙及自然界中常見的一種基本力，影響因素眾多。本文通過討論當物體體積到達上限時，面積與引力兩者之間的關系發(fā)現(xiàn)物體表面的引力隨著面積增大而不斷減小，此規(guī)律適用于解釋天體運行和平衡現(xiàn)象。

關鍵詞：引力;面積;現(xiàn)代物理學;宇宙天體

一 引言

引力（Gravity）是指存在于任意兩個物體之間的吸引力，通常與其質(zhì)量、相距位移的長短有關，是一種存在于宇宙中較為常見的力[1]。而其產(chǎn)生機理主要是由于空間內(nèi)部有無數(shù)微小粒子之間由于不斷運動而產(chǎn)生碰撞，在高速碰撞的過程中會產(chǎn)生引力作用。通常是指當空間中兩個物體的位置不斷接近時，雖然物質(zhì)本身存在一定的遮擋性，但是相向面所受到的撞擊頻率將低于背面，因此從背面產(chǎn)生促進兩者相互靠近的力，即引力[2]。

二 引力與面積之間的關系

從粒子的角度進行分析可知，物理學上引力的強度遠遠小于物體之間的其他作用力，質(zhì)點間的引力大小僅為兩者電磁力的1/1.235*1036，而質(zhì)點和地球之間的引力同樣也很小，因此，通常在物理學中計算其他強力大小時，會忽略其引力作用，例如觀察粒子在加速器中的作用時。但是引力的影響因素較多，具體公式如下：

物體表面引力 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

m1、m2——分別是指形成物體表面引力的兩個物體質(zhì)量，kg;

r——是指兩者之間的距離，m;

G——是引力常數(shù)，通常根據(jù)周邊環(huán)境的改變而改變;

S——物質(zhì)表面面積，單位為m2

在宇宙中，任何物質(zhì)的體積都不能無限大，當體積達到上限時，則根據(jù)上述公式（1）可知，物體表面引力隨著面積的增大而減小。

三 物體面積影響引力大小的原因

在日常生活中，物體的體積通常較為固定，表面的引力直接受到其質(zhì)量大小的影響，因此在地球上，大部分物體其引力小于其與地球之間的引力，主要是由于相比于地球而言，物體的質(zhì)量較小，因此在研究地球上物體的運動時基本不考慮引力的影響，此公式更適用于宇宙星球之間表面引力的計算，因為天體之間的質(zhì)量很大，且體積通常達到其本身的極限值，宇宙星球之間之所以能夠保持平衡，依靠的就是天體之間的引力。引力大小受到物體面積大小影響的主要原因如下。

（一） 物體面積影響天體的時空扭曲程度

對于天體運動而言，通常引力成為維持相互圍繞運動的唯一力，其他力相比于引力都略小，但這種力通常并非是指雙方之間的拉扯作用，而是由于天體自身巨大的質(zhì)量和體積而造成的一種時空扭曲現(xiàn)象，質(zhì)量越大則會造成更大的時空扭曲現(xiàn)象，則引力越大，而表面積則會對此種扭曲現(xiàn)象造成一定的干擾，表面積越大則空間扭曲對天體的作用性越弱，即所謂的表面引力減小[3]。例如常見的恒星形成，即天體在高溫高壓狀態(tài)下，由于表面積不足但天體本身質(zhì)量較大，造成引力壓力過大引發(fā)天體塌縮，形成白矮星、中子星和黑洞。這種時空扭曲和擠壓都是由于引力而造成的空間扭曲現(xiàn)象，而并非由于其本身的質(zhì)量影響，也正是由此而造成了天體的不斷演化。

（二） 物體面積影響天體之間的平衡狀態(tài)

在近代物理學上，對于引力產(chǎn)生的根本原因并未作出具體說明，僅僅根據(jù)其由于質(zhì)量過大造成時空扭曲而產(chǎn)生引力，但引力的大小往往與其表面積也是有一定關聯(lián)的。當物體體積不再增大時，其表面積越大，則對抗時空扭曲的能力越強，呈現(xiàn)出引力越小的現(xiàn)象。在平面幾何中，常常認為兩點之間直線距離最短，則形成短程線路，但是對于天體引力模塊而言，它存在于四維空間內(nèi)，短程線路同樣會被扭曲。根據(jù)各個天體質(zhì)量體積存在差別，宇宙中天體之間遵循的平衡通常是在引力和慣性雙重作用下進行，行星不斷沿著相應的短程線路向著相應的恒星靠近，從而形成現(xiàn)有的運行軌道[4]。

（三） 特殊宇宙天體引力與面積的關系

在宇宙中常出現(xiàn)部分如黑洞這種極端狀態(tài)下的宇宙天體，它們通常擁有極大的引力，而某種猜想中將這種引力的產(chǎn)生歸結于空間扭曲。而在現(xiàn)代物理學中，黑洞被廣泛定義為是一種密度極大但體積極小的天體，它是由質(zhì)量、體積足夠大的恒星在完成核聚變之后坍塌、壓縮所形成。正是黑洞具備密度大、體積小的特點，即表面積較小但本身質(zhì)量較大，根據(jù)公式（1）可知，質(zhì)量大、表面積小兩種條件加成必然導致引力增大，而確實有研究表明，黑洞的引力極大，光都無法逃脫。黑洞由于難以進行光反射，因此在現(xiàn)階段所捕獲的照片中表面均呈現(xiàn)為黑色，無法通過肉眼直接去鑒別其實際大小，但可以采用間接的計算方式得知其確實存在于宇宙中并計算出其質(zhì)量大小。具體到黑洞這種極端條件下的宇宙天體。它有極強的吸引力，科學家在解釋這種吸引力的時候，把它的原因歸結為空間彎曲。而造成空間彎曲的原因是黑洞本身的巨大質(zhì)量。說到引力歸根結底是和質(zhì)量有關，萬有引力是把引力視為由質(zhì)量引起的一種基本力，而愛因斯坦相對論則把引力視為質(zhì)量引起的時空彎曲的表現(xiàn)。

四 結語

引力是一種存在于宇宙天體、日常物品、微小粒子之間的基本作用力，能夠維持宇宙、自然的正常運行，例如，粒子之間的相互作用力、地球上物體的重力、天體之間的定軌繞轉等。影響引力的因素較多，但對于體積已經(jīng)達到增長上限的物體而言，其引力直接受到表面積的影響，且物體表面積越大，引力越小。物理學中，引力是由時空扭曲所產(chǎn)生的觀點與此結論相一致，且黑洞等天體的運行也同樣印證了此規(guī)律。

參考文獻：

[1] 溫伯格. 引力論和宇宙論[M]. 科學出版社， 1980.

[2] 張崇安. 光子群流和光子海洋概念及地球磁場、暗物質(zhì)、引力起源的探討[C]// 中國數(shù)學力學物理學高新技術交叉研究學會學術年會. 2006.

[3] 張操. 物理時空理論探討：超越相對論的嘗試[M]. 上?？茖W技術文獻出版社， 2011.

[4] 鄭玉昆. 關于引力場的能量問題[J]. 物理學報， 2018， 000（001）：46-56.

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