【题】天体的质量不但比地球物体大许多倍,而且各个物体之间的距离也是地球的许多倍。由于引力的大小直接与质量的乘积成正比,但是同距离的平方成反比,因此在现实中,我们可以很明显地感知到引力在宇宙中的作用力,但是我们却没有发现地球物体之间存在引力,你知道这是为什么吗?
【解】如果说天体间的距离足够大,尽管天体之间的极大距离会在很大程度上削弱它们之间的相互吸引力,但是这些天体的质量之大也是难以想象的。
因为引力同被吸引物体的质量的乘积成正比,而物体的质量应该同它的体积成正比,即同物体长度的平方成正比,所以可得出该引力就同物体长度的六次方成正比。因此假如物体长度和它们之间的相互压力增加n倍,那么引力增加的倍数也为
n6/n2=n4
通过上面的分析我们就可以很清楚地明白,相距很远但质量更大的天体之间的引力要比相距较近但质量很小的天体之间的引力大得多的原因了。我们习惯性地忽略天体的质量大小,但是即使是火星的卫星或者小行星等这些在天文学上被称为“微小”的天体,其质量在日常范围内都是巨大的。所以即使假设太阳系减小到原来的一百万分之一,那么太阳系中物体之间的引力也还有原来的一千万亿分之一(1/1024)。
在所有熟悉的小行星中,最微型的行星的体积约为10立方千米。假设物质的密度与水的相同,那么体积为1立方千米的物质的质量有多大?也许我们想象不到,但可以通过计算得出:1立方千米=1015立方厘米;这么多水的质量是1015克,也就是10亿吨!这些天体不但密度常常比水还要大,而且还包括着数亿和十数亿个立方千米的物质。
因为引力取决于巨大质量的乘积,所以即便是有很大的距离,它也不会减少到很小的程度。两个人之间相距为1米时候的引力只有0.03毫克,而两艘轮船之间相距为1千米时候的引力是4克,但是距离很远的地球和月亮之间的相互引力却可以达到20 000 000 000 000 000吨。当然,0.03毫克不能克服人的摩擦力,4克也不能克服水对轮船运动形成的阻力(见图58)。
所以对于地球表面物体相互作用来说,虽然这个引力并不会明显地表现出来,但是同时还是会吸引着太阳和行星体相互靠近。
下面列举一例有关引力的反常现象:半人马座阿尔法三星系统(离太阳最近的一个恒星系统)和地球之间的距离是和太阳之间距离的275 000倍。由此计算出1 000 000 000吨这么一个庞大的数字来表示该恒星系统对地球的吸引力。但是因为不但地球的质量很大,而且每年也只会向半人马座阿尔法系统靠近100米,所以虽然处于上述力的作用下,我们的星球却好像仍然没有觉察到这么强大的影响力。地球在太阳系中的相对位置并不会就此改变,因为同样太阳和其他星体也会被上面的星系带动起来转动。太阳系是一个行星家族,它在宇宙中运行时会受到所有星体引力的合力作用,所以半人马座阿尔法星系并不是唯一吸引太阳系的星系。
关于引力也存在着一些普遍的学术偏见。比如有些人会认为两个物体之间的相互引力是一个指向连接两者质量中心的直线的力。这种观点并不是在任何情况下都是对的,而只有在相互作用的物体是均质球体或者其外壳是均质的时候才是正确的。一旦物体的形状发生变化,那么上述定理就不再适用了。对于非球状的物体来说,引力和质量的正比例关系定律以及引力和质量中心之间距离的平方的反比例关系定律这两条定律就不再适用了。下面援引一下齐奥科夫斯基《天地幻想》一的例子:
假设两个平行的面之间有块无边际的木板,这个无限大的物体的吸引力也是无限大的,然而这种假设终究只是假设——没有这样的木板。吸引力同木板的厚度和密度基本没有关系;无论在离这块木板多远的位置上,引力总是同木板保持垂直。
如果将地球压缩成一个圆盘,盘的厚度越薄,那么它产生的引力就越小。
有时,质量大不会对物体造成任何引力。比如,一个内壁被压缩过的空心球或者空心管并不会对置于其中的物体造成引力(无论该物体位于几何中心还是其他地方)。空心管的外部引力同物体与管轴间的距离成反比。
我们应该牢记:牛顿定律公式只适用于均质的球和物质的“点”。