万有引力定律：地球对苹果施加吸引力，是引力之谜

万有引力是人类发现最早、研究最多、难度最大、目前最让人头痛的一个问题。1867年，牛顿在其《自然科学的数学原理》一书中就提出了这一概念，牛顿认为任何两个有质量的物体之间都存在相互吸引力，这两个力是相互作用的，甲对乙有个吸引力，作用点在乙身上，同时乙对甲也有个作用力，作用点在甲身上，并且这两个力大小相等，方向相反，并且作用在一条直线上。而且这个力的大小与两个物体的质量的乘积成正比，与两个物体距离的平方成反比，写成公式就有：F=（Gm1m2）/R2，式中的G叫万有引力常数，G=6.67×10-11牛·米2/（千克）2。牛顿的这个引力定律解释了很多的实际问题和科学问题，例如，苹果为什么从树上往下掉而不是往上掉？是因为苹果受到了地球对它的吸引力，这个力作用在苹果上，使苹果有了向下的加速度，加速度的大小在地球表面为9.8米/秒2，即每秒钟增加9.8米/秒的速度。需要注意的是，这个力是相互作用的。也就是说，地球对苹果有一个吸引力，作用在苹果上，使苹果产生这样大的一个加速度。同时，苹果对地球也有一个吸引力，作用在地球上，只不过地球的质量太大了，这个力使地球产生的向上的加速度很小，只是我们看不出来而已，但这个力一定是存在的。并且地球吸引苹果的力和苹果吸引地球的力一定大小相等，方向相反，且在同一直线上，分别作用在两个物体上，分别产生不同的效果。只是对苹果产生的效果我们能够看得出来，而对地球产生的效果太微弱了，我们看不出来罢了。特别是万有引力定律在解释天体运行时起了重大的作用，地球及其八大行星围绕太阳旋转，每个行星和太阳之间都存在一对相互作用力，如地球和太阳之间，地球对太阳有个吸引力，可是太阳的质量太大，这个力不能使太阳产生明显的效果，而太阳对地球的吸引力却能改变地球的速度方向，使地球能围绕太阳作近似圆周运动，不至于把地球吸引到太阳上去。更为神奇的是，万有引力定律对于人类发射人造地球卫星和火箭在技术上起了极为重要的作用，可以说，没有引力定律的指导，卫星和火箭的发射是不可能的。这就是万有引力定律对人类的巨大贡献。但在目前的引力研究中，还存在着许多问题，还有许多的谜底没有揭开。关键的问题是，引力的本质是什么、引力的来源是什么（即本源问题），目前还无法弄清楚。顾名思义，引力是两个有质量的物体间的相互吸引力，而对于有质量的物体来说，我们知道，物体由分子组成，而分子由原子组成，原子又由原子核和绕核运转的电子组成，而原子的质量主要集中在核内，所以物体的质量主要由原子核构成。科学进一步指出，原子核又由质子和中子组成，而质子和中子又由更小的微粒夸克组成，虽然目前没有找到独立的夸克粒子，但夸克理论是比较完整的，能解释许多的微观现象。

现在的问题就来了，第一点，两个物体之间的万有引力的作用点是怎样作用的？本质上也就是说，是有质量的原子核与远处有质量的原子核之间的相互吸引。在作用方式上我们无法理解，也无法模拟。例如，如图7-1所示，图中两个有质量的实心铁球A和B，它们之间有一对相互作用力，就是A对B有一个作用力FAB，作用点在球B上，方向沿它们的连线指向A，同样B对A也有个吸引力FBA，作用点在A上，方向沿连线指向B，这两个力大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上，并各自产生不同的效果，如果哪个球的质量小，产生的加速度就大，反之亦然。为了弄清这两个力是怎样作用的，我们可以把每个球都分成十个小的等份，如A球中可以分成A1，A2，…A10，B球中可以分成B1～B10。然后注意，A球中的每一个小等份对于B球中的每一个小等份都有吸引力（合力就是这些小分力之和），（图7-1中只画出A中的一小份A1对B中10个小份的吸引力）；反之，B球中的每一个小等份对A球中的每一个小等份也都有吸引力，如果把这些力都画出来，会非常复杂。如果我们设想一下：引力是由原子的质量引起的话，那么，对于A和B两个球体来讲，它们都包含着亿万个原子，这时候每个原子对每个原子的吸引力，是怎么样个吸引法？距离又是那么远，分力又是那么多，怎么合成呢？我们简直无法想象，那就更不要去说夸克和夸克之间了。由于引力的本源问题没有搞清楚，不但对它的吸引方式无法描述，而且还对另外一些问题也无法理解。引力的作用力程是无限远，如天体间的物质间引力，地球到太阳的距离是1.5亿公里，如果太阳对地球的吸引力按光速传播也要走上8分钟19秒，如果是太阳上每个有质量的原子对地球上每个有质量的原子的吸引，这么远的距离是如何作用的呢？还有，两个星系和星系之间的距离可以达几亿光年甚至上百亿光年，这原子间的引力能有这么强吗？哪能传得这么远？简直无法想象，就更谈不上说明了。

图7-1　A,B引力图

第二点，为什么物质和物质间只存在引力而没有斥力呢？常识告诉我们，电荷间有正电荷、负电荷，并且同种电荷相斥，异种电荷相吸。对磁荷也一样，有南磁极S，有北磁极N，并且也有同性相斥，异性相吸。为什么物体的质量只有一种呢？对应电和磁，这一种质量和质量之间也应是同性相斥，而为什么又是相吸呢？(www.xing528.com)

第三点，宇宙间的相互作用力共有四种：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和万有引力相互作用。科学家经过不断的努力，已经把前三种力都统一起来了，为什么唯有万有引力却统一不了呢？

第四点，引力的传播速度是多少？对于这个问题，主要有以下两种观点：一种认为就是光速。例如，爱因斯坦认为，引力的传播速度就是光速，也是每秒30万千米，并且光的传播就是电磁波的传播，也可以看成是光子在传播，因此爱因斯坦预言有一种叫作“引力子”的东西存在，可是我们至今还没有找到这种叫引力子的东西。另一种认为引力的传播速度无限大，或者说引力的传播不需要时间。也就是说，当两个物体存在时，不管我们把它们分隔多远，只要一存在，引力立即就有了，引力的传播是瞬间的事情，不需要时间，或者说，时间是零。这就引出了一个问题，不是说宇宙间的一切物体运动速度都不能超光速吗？于是又有人提出，太阳对各大行星（如地球）的作用力不是引力，而是斥力，这样一来就很好地统一了大自然中同性相斥异性相吸的现象了（与电和磁都一样了）。

至于行星和地球为什么作圆周运动呢？于是科学家设想，在行星或地球的外侧还有另一个力，也是斥力，这个力也作用在地球和行星上，并在一条直线上，只不过这个力比太阳对它的斥力要大，这两个力的合力才构成了行星作圆周运动所需要的向心力，用以改变它的速度方向，至于这个从外面加的作用力是什么物体施的力呢？有人猜想是暗物质或是暗能量，因为暗能量都是产生排斥力，到底是什么，谁也不知道，反正是猜想。

看来大自然真的是在给人类捉迷藏，让人类最早认识了引力又把它的本源问题深藏于自然之深处，用四个世纪的时间与人类捉迷藏。从笛卡尔到牛顿，再到爱因斯坦，直到今天，引力的本源问题仍是物理学天空中一团最大的谜团，它像一个魔盒，打开外面的大盒子，里面又装着小盒子，打开小盒子，里面还有更小的盒子，无穷无尽的引力之谜成了挑战人类智力的最大游戏。这个游戏由笛卡尔、牛顿拉开序幕，而演出仍在继续，并且目前看不到尽头。