《费曼物理学讲义》中的智慧(5):万有引力定律简单吗?

百科   2024-09-15 07:40   广东  


《讲义》第1卷第7章“万有引力”,今天就介绍完了。讲义中的每一章,是费曼当时一次课(50分钟)的内容。下面是费曼讲完这次课时,学生给他送上的掌声。




牛顿为人类带来希望


“引力理论的巨大成功,对科学历史带来的影响之重要,怎么说都不会过分。”


“这是科学在随后年代中获得成功的原因,因为它给了人们希望:世界上的其它现象,或许也包含像这样非常简单的定律。”


(这是7-6节的结尾,我本来应该把它写进上一篇,不知怎么忘了。)


万有引力是怎么产生的?


费曼接着立即问:但是,万有引力定律真地如此简单吗?它的机制是怎么样?(老贾注:即,它是怎样产生的?)


牛顿没有对万有引力的机制提出假设;他找出它的表现就满意了,没有去研究它的产生机制。从那时以来,没人能够给出其中的机制。


费曼在这里清楚地区分了两件事:万有引力的规律与机制。规律很简单清楚,但机制不清楚。


物理定律的抽象性质


是不是只有万有引力定律这样特殊呢?费曼说:物理定律都具有这种抽象性质,这是物理定律的特点。


他接着提醒读者,在前面第4章所讲的能量守恒定律也是如此,它只是说,算出哪些量,加起来,总和保持不变,至于为什么会这样,它没有提。另外,牛顿运动定律也是如此,它们只是说,某些量之间存在什么关系,为什么会这样,没有说(比如牛顿第三定律只是说,作用力与反作用力总是方向相反,大小相等。为什么会这样,它没有说)。


所谓物理定律的抽象性质,是说,它们都表现为数学关系。费曼问:为什么我们能够在不了解有关机制的情况下,用数学来描述自然呢?没人知道。我们只有这样继续下去,因为我们用这种方法取得了许多成果。


为什么不再考虑万有引力的产生机制?


在历史上,科学家们提出过许多种产生万有引力的机制。费曼详细介绍了其中一种机制。一开始,当有人发现这种机制时,他很兴奋,很高兴,但是很快发现它不对(大约在1750年,即牛顿发表万有引力定律后60年,有人首次提出这种机制)。


这种机制成功的地方是,它能够解释万有引力为什么沿着两个物体的连线方向,为什么是吸引力,为什么力的大小与两物体距离的平方成反比。


是不是挺厉害的?


那它哪里有问题呢?问题在于,根据它,会发生一些别的后果,而这些后果与事实不符。比如,按照这种机制,地球在绕太阳公转时,会受到阻力,速度会逐渐慢下来。


所以这种机制不对。


难道就不能想出一种机制,既能解释万有引力的规律,又不会产生其它与事实不符的后果吗?迄今没人能做到。——所以科学家干脆放弃这种念想了。


费曼用这些讲解让我们认识到物理定律的(奇怪)特征。费曼物理学讲义的好处之一就是,他在讲解每一个事情时,都会提醒我们注意它的特征。


他的这种提醒是不是多余呢?


你可以去问100个高中生或大学生:你看,你学了那么多物理知识,做了那么多题,你能不能告诉我,与别的知识相比,物理学中的定律有什么特点呢?——结果会很有趣,而且“细思极恐”。


万有引力有多微弱


费曼进一步讨论万有引力与自然界中其它力可能存在的联系。特别是,静电力和万有引力的大小,都与距离的平方成反比。可是另一方面,两种力的相对大小却差得非常大。


考虑两个电子之间的万有引力与静电斥力。二者的比值与两个电子之间的距离无关,所以是自然界的一个常数


(老贾注:自然常数的例子有电子电荷、真空中的光速、万有引力常数等。不过,这些常数都具有量纲,如果换用另一套单位,这些常数的数值就会随着改变。然而,两个电子之间万有引力与静电力的比值,是一个纯数,就像圆的周长与直径之间的比值π是一个纯数一样)。


现在,值得注意的是,这个常数的值多么小!费曼专门把它写出来:



看到分母有多大了吗?费曼问道:问题是,这么大的数从哪里来?它不是一个偶然性的数,比如地球与跳蚤的体积之比。


费曼在这里清楚区分了常数与偶然性的数。对于地球与跳蚤体积之间的比值,人们不必费神思索,因为人们也可以把地球换成月球或太阳,把跳蚤换成草履虫或新冠病毒,得到许许多多不同的数值。


费曼指出:我们考虑的是同一个东西,电子,的两个方面。


需要探索这个数的来源,或者它与自然界其它方面的联系(物理学家思考的问题是多么奇怪呀——对我们这些普通人来说)。


费曼在这里介绍的,是狄拉克的思想。狄拉克认为,上面那个大数,必定有着深刻的来源。他最后提出,那个数与宇宙的年龄有关,并进一步猜测,万有引力随着宇宙年龄的增加而减小。


费曼对这个猜想以及对它的检查进行了简明扼要的介绍(非常有趣),最后说:这问题现在还没有结论。


牛顿发现万有引力,是三百年前的事(在费曼讲课的当时)。一般人把这个发现,看成古老的发现。费曼用上面的方式,一下子让学生看到,这里还有着悬而未决的问题。


万有引力与惯性之间的关系


上面是对万有引力定律中“距离平方反比”这方面的思考。费曼接着讨论引力定律的另一个重要方面:引力与质量成正比。


一般教科书上介绍完万有引力定律(与两个物体质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比),就完了。它们似乎觉得,这没有什么突兀或奇特的地方,需要注意或考虑。


费曼却提醒我们:别忘了质量是什么,质量从根本上是衡量物体惯性大小的量,而惯性又是什么?物体的惯性越大,做某个圆周运动时需要的力就越大。


正是由于万有引力与质量成正比,在绕地球运行的飞船中的宇航员,才能在飞船内漂浮。(以上是讲义7-7节内容)


牛顿的万有引力定律不正确


7-8节是“万有引力与相对论”。费曼在这里告诉学生,牛顿的万有引力定律虽然取得令人兴奋的成就,但是它并不正确!


为什么?请注意,表示万有引力定律的公式中,没有出现时间。按照这个定律,当地球在轨道上运行30千米(只需要1秒钟),来到新的位置后,月球受到的引力立即发生变化,引力的变化与地球位置的变化精确同步。


这意味着信号能够以无穷大的速度传播。而这与相对论相违背。所以必须对牛顿的万有引力定律进行修订。


你看,关于万有引力,费曼向我们讲了多少东西!



讲解开普勒定律


解释潮汐的成因


费曼讲话时喜欢使用手势,不知道是不是与他年轻时学过哑语有关系


两个电子之间万有引力与静电力的比值


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