根据万有引力定律,如果两个物理之间的距离无限趋近于零,那么引力就会无穷大吗?

金and土


当两个物体距离无限趋近于零,牛顿经典力学就会失效,也就不存在无限大引力这个问题。牛顿经典力学的概念是:

宏观物体、低速运动时的近似定律。

宏观物体,不考虑无限趋于零的微观情况;低速运动,不考虑接近光速或者光速以上的运动情况。

牛顿经典力学的局限性

在公式中,距离的平方作为分母,限制了公式的微观应用:两个人距离0.1米,产生的引力不到1N,基本可以忽略不计;但是一只蚂蚁拉着羽毛,产生的引力却非常大,这显然是不科学的,这是牛顿经典力学的微观局限性。

而在牛顿经典力学中,假定时间和空间都是绝对的,这限制了公式的高速应用:20世纪以来,物理学发现光速运动时,观测者的时间和空间都是相对的,从而无法精确测量空间长度,也无法应用牛顿经典力学。这是牛顿经典力学的高速局限性。

虽然牛顿经典力学存在局限性,但是牛顿在解决简单力学问题的时候,可以利用简单的几何计算公式,简单方便。在天体系统中,牛顿万有引力公式可以相对精确的计算出大致的运动轨迹和运动规律。

解决微观局限性——量子力学

宇宙中全部的力,归类为四大作用力:万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力、弱相互作用力。

量子力学将电磁相互作用力、强、弱相互作用力三种作用力统一,形成量子场论,也是量子力学的基础。适用于微观物体,放弃了引力的证明,主要研究微观状态下,物体的运动方式。

量子力学中,物理状态使用状态函数表示,计算出来物体的运动概率,得到不同状态下的演变方程,从而演化出薛定谔拨动方程。

根据狄拉克符号表示,状态函数,用表示,状态函数的概率密度用ρ=表示,其概率流密度用(?/2mi)(Ψ*▽Ψ-Ψ▽Ψ*)表示,其概率为概率密度的空间积分。状态函数可以表示为展开在正交空间集里的态矢比如:
其中|i>为彼此正交的空间基矢,
为狄拉克函数,满足正交归一性质。
分离变数后就能得到不显含时状态下的演化方程En是能量本征值,H是哈密顿算子

最终就可以得到薛定谔波动方程:

量子力学一般不会对一个观测结果计算一个单独预测结果,而是计算多个概率情况,从而解释微观中的各种现象。


解决高速局限性——相对论

相对论以及量子力学,奠定了现代物理学的基础,而相对论,也第一次改变了人类对时间和空间的概念。

在高速运动、特殊重力场影响下,时间流逝的速度会产生变化,这些都是近现代才证实的理论,而相对论的高速运动理论,也促进了量子力学的产生,因为微观世界中,微观粒子的运动基本都接近光速,

在相对论中,引力的计算复杂很多,相对论中有引力场的概念,并且根据物体的物质分布以及运动状态,计算了空间弯曲情况,被称为引力场方程:

为里奇张量表示了空间的弯曲状况。
为能量-动量张量,表示了物质分布和运动状况。为度规,需要另外求解。

如果在宇宙环境下进行计算,还需要额外使用含有宇宙常数的引力场方程,计算难度非常大。

大一统理论

爱因斯坦提出广义相对论后,就一直在寻找涵盖万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力、弱相互作用力,四种作用的完美理论,但是并没有成功。

之后的量子力学,完成了强、弱、电磁作用力的三种作用力统一,但是依旧无法证明引力的存在(目前的猜想是有一种名为“引力子”的特殊粒子,但是还没有发现。)

而目前最有希望成为大一统理论的,就是弦理论。弦理论中,自然界的基本单元并非微观粒子,而是弦,弦通过不同的振动频率以及运动方式,形成了不同的微观粒子,进而形成宇宙万物。

弦理论可以统一四大作用力,但是由于想法过于超前,人类无法通过实验证明。

总结

牛顿经典力学是20世纪前物理学的圣经,基本可以解决生活、天体运动的基本问题,但是随着物理学的发展,人们对空间和时间有了不同的感受。微观世界的发现让牛顿经典力学的局限性大大增加。


这种局限性促进了相对论以及量子力学的产生,两个理论形成现代物理学基础,但是依旧有其局限性。

大一统理论需要时间,可能短期内就会有所突破,也可能需要漫长的时间。

当大一统理论出现的时候,人类将真正开启物理这扇神奇的大门!


蒜头聊科学


根据牛顿老爷子的观点,事情当然是这样的。

啊哈!你可能已经高兴得笑出了声,终于抓到大科学家的把柄了,我把两个玻璃珠紧紧靠在一起,它们的距离已经为零了,它们的引力不就无穷大了吗?请牛老爷子起来遛两步?

放心,牛老爷子的棺材板不是那么容易掀翻的。万有引力定律说的是两个质点之间,引力与质量成正比,与距离的平方成反比。所谓质点,就是只有质量,没有大小的点,是假想的理想的点,现实生活中是不存在的!

现实生活中你把两个玻璃珠紧紧靠在一起,它们之间还有两个半径的距离,根据万有引力的公式:

其中常数G的值大约是6.67×10^−11牛顿.米平方/公斤平方,你把两个玻璃珠的参数代进去算算,引力不为无穷小两个玻璃珠上辈子就已经算积了大德了!

有人说,那我把玻璃珠缩小啊,缩得很小很小,它们就可以靠得很近了,引力总可以无穷大了吧?

聪明!问题是缩小之后,两个玻璃珠的质量也会减小,而且质量的减小是和半径的立方成反比的(体积与半径的关系),引力减小得更快,所以还是不可能。

你又说了,那我把这两个玻璃珠缩小到原子、原子核、质子、夸克的大小总可以了吧?极度聪明!问题是缩得再小,它们也不是质点,总还有个尺度,在这个尺度下是电磁力、强力和弱力的世界,引力和它们比起来,小了三十多个数量级,就更起不到任何作用了!

你可能还不死心,我要把它们质量加得很大很大,尺寸缩得很小很小,它们之间的引力不就无穷大了吗?

你已经聪明绝顶了!事实的确是这样的,这两颗玻璃珠就变成了两个黑洞——被视界遮住的两个质点——奇点,无须靠得很近——只要达到它们的史瓦西半径,它们之间的引力就已经大到超越友情的界限了,然后的结果,你懂的,2015年9月14日,科学家们第一次探测到了这两个“玻璃珠”的幸福结合,一个玻璃珠36倍太阳质量,另一个29倍太阳质量,13亿年前,引力把它们拉在一起后,合成了一个62倍太阳质量的玻璃珠。

62?36+29等65,还有3个太阳质量的质量到哪儿去了?嗯,这3个太阳质量的质量完全转变成了能量——相当于3个太阳质量的物质和反物质相遇了,湮灭了,它们产生的所有能量直接撞击宇宙的时空基底,在时空中激起一阵阵涟漪,终于在13亿年后传到了我们地球,把地球“大大地”扭曲了——一个质子直径的万分之一!


徐德文5分钟科学频道


答案:不会,因为万有引力不适用于微观世界,并且它是四大基本力中最弱的。

万有引力公式

万有引力公式大家在高中物理课本上都学过,两个质量确定的天体,它们之间的万有引力只和距离有关,距离近引力大,距离远引力小。

从公式中能看出如果距离r,变得无限小,引力F岂不是变得无穷大了吗?但其实生活中一个例子就能反驳。例如,人站在粗糙的地球表面,和地表接触时就可以看成r无限小,但并没有出现引力无限大的情况。

这种矛盾的现象是因为:万有引力的使用前提是,物质之间必须能看成质点才行,换句话说就是物质之间的距离要远远大于物体本身的大小,例如天体之间。牛顿提出的万有引力适用于宏观物体,而无限小已经涉及到了原子的微观世界,经典力学不再适用。

为什么万有引力不能用于微观世界?

这恐怕才是问题的核心,爱因斯坦的广义相对论中对引力本质做出了解释:任何有质量的物体都会对时空造成扭曲,这种扭曲的表现形式就是万有引力。所以万有引力在微观世界中依然存在,原子和原子之间依然存在引力。但微观世界中还存在其它三种基本力,强核力,弱核力,电磁力,这三种力才是微观世界的主角,引力则属于最弱的力,不值一提。

如果引力的强度为1,那么电磁力的强度为10的37次方,弱核力的强度为10的24次方,强核力的强度为10的39次方。

如此看来,牛顿的万有引力在原子的世界里完全可以忽略,用万有引力计算会受到极大干扰,等同于失效。

微观世界的三种力

虽然分子整体呈电中性,但两个分子非常靠近时,外层电子云会重叠产生排斥作用;远离时,分子中电子的运动产生瞬时偶极矩,能极化临近的分子,相互耦合表现出吸引,这种力就是电磁力。

强核力可以将质子和中子束缚在一起,作用力程在10的负15次方米到10的负16次方米之间,一定范围内力的大小恒定,是最强的力,原子弹就是利用链式反应释放原子核中的强核力,才能产生如此巨大的威力;弱核力能够制约放射现象,是造成放射性原子核衰变的短程力。

这三种力在微观世界中远比万有引力强大,物质之间无限靠近时,是这三种力在主宰。


科学薛定谔的猫


万有引力公式是牛顿在前人观测和总结经验的基础上归纳出来的,是一个经验公式。

该公式有两点疑问,其一该公式的常数是一个实验值,缺乏具体的物理机制;其二是该公式中引力与距离的平方成反比,当距离趋近于零时,引力为无穷大。

在现实世界中,不存在无穷大,无穷大只是一个抽象的概念。因为,人类的认识有一个基本原则,即凡是具体的都是有限的,只有抽象的才是无限的。

在人类认识的过程中,但凡出现无穷大,就说明该理论是不完备的,其只是某一局部范围的近似理论。

比如,普朗克建立黑体辐射公式之前,关于热辐射☢️的公式有两个,分别适用于红外端和紫外端。一旦超出适用范围,上述两公式就会出现无穷大。后来被证明,这两个公式分别是黑体辐射公式在红外端和紫外端的近似公式。

万有引力公式之所以有问题,会在距离很小时趋近于无穷大,是因为基于空间是连续的,无论在多小的尺度上,空间都是没有变化的。

这种连续的空间观,首先在哲学上就是不对的。因为自然界是不连续的,存在着质的变化。其次,在物理上也是有疑问的。由于普朗克常数h的被发现以及该常数适用于所以的自然现象,因而我们的宇宙是由不可再分的量子构成的。

离散的基态量子构成空间,受到激发的量子成为光子,由高能量子组成的封闭体系就是物质。

于是,当距离缩小至空间量子间距以内时,空间就不再连续,万有引力公式在此处就会失效,以指数的形式迅速随距离的减小而衰减为零。

由于在空间量子间距附近,空间量子的密度会有较大变化,因而强相互作用力的适用范围与量子间距相近。由此可以推断空间量子的间距为原子核的下限,根据计算该间距为2.913x10-14厘米。

从这个意义上来说,万有引力与强相互作用力是同一种相互作用力,都是由空间量子的不对称碰撞💥产生的。

当作用距离大于空间量子间距时,表现为万有引力;当作用距离在空间量子间距附近时,表现为强相互作用力;当作用距离小于空间量子间距时,由于失去了空间的意义,从而作为空间效应的相互作用力也就不再存在了。

总之,万有引力公式只是宏观范围的经验公式。当相互作用距离接近或小于空间量子间距时就不再适用了,需要由一个完备的相互作用力公式来取代。


淡漠乾坤


提这个问题的可能是个高中生,所以完全没有必要把问题弄得太复杂,更何况所谓的什么微观世界对于绝大多数人来说,只是停留在"听说过"。

产生这个问题的原因是因为学得不够扎实,只要弄明白几点,就会豁然开朗。

首先,万有引力相对来说非常小,就拿相对于人的地球这个巨无霸来说,万有引力就是重力,而不管是人、动物、或者植物,磁力、张力、甚至是风、浪、地震等等都可以轻而易举地在一定程度上一定时间内克服重力。

其次,万有引力公式:GMm/RR,这里的R是质心间的距离,而不是外壳之间的距离,这个概念不能弄错。

最后,就是要对这个公式进一步理解。举个最简单的容易计算的例子。密度为P,棱长为2的两个正方体和棱长为1的两个正方体,都面对面贴着,距离相差一倍吧,那万有引力分别是多少?G·P·P·8·8/(2·2),和G·P·P·1·1/(1·1),说明什么问题?就是在已经紧挨着的时候,想要继续缩小质心距离的时候,其实两个质量体的体积会以更大的比例在缩小,密度不变的情况下(事实上通常我们也无法改变密度),质量和体积的变化一致。所以实际上,如果保持形状不变,密度不变,两个物体的质心越近,必然意味着质量越小,万有引力反而是越小。

所以很显然,虽然理论上可以以改变形状的方式使两个物体在质量不变的情况下质心距离有所改变,但是很有限,实际要想"趋向于0"无可操作性。


笑看风云淡悠然天地间


不会的,这种情况是不会出现的,不管是理论上还是实际上,都不会出现万有引力无穷大的情况。

先说一下我个人的想法:首先,从万有引力的公式来看,万有引力等于GMm/r²,如果r无穷小,那么万有引力应该无穷大。但我们不妨大胆假设一下,无穷小到可以为零,那这时候这个公式的分母就成0了,这个公式就没有意义了。这只是简单从公式上想象一下,并没有什么实际意义。

其次,两个物体之间的距离怎样无穷小呢?我们计算万有引力用的是质心之间的距离,只要物体有体积,两者之间的距离就不可能无限小。即便分子原子,也不能忽略。这是什么意思呢?比如我们计算一下地球和月球之间的引力,在不考虑洛希极限和星球形变的情况下,两者之间距离最近的时候是什么?就是两者表面接触的时候,宏观上两者接触了,但两者之间距离并不为0。两者之间的最小距离是地球的半径加上月球的半径,大概有八千多公里!事实上,因为自然界不存在质点(黑洞内部不考虑)所以根本不可能两者间距离无限接近,否则这两者就融为一体了。

再者而言,不说考虑无限接近,单说考虑距离很近时,也许占据主导的就是强相互作用力和弱相互作用力了,到那时万有引力都不够格参与了,还谈何引力无限大?

因此,距离无限接近只是一种假想的情况,实际上不会出现,当然也就不会出现引力无限大的情况了。

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张家小智儿


如果只是孤立地看牛顿的万有引力定律,确实我们能发现,引力与物体质量成正比,与距离的平方宸哥反比,也就是说,如果两个物体能做到距离无限小,引力应该无限大!

但事实上并不是这样!因为自然界里不仅仅有引力,还有强力,弱力和电磁力,而我们每天都能感受到的引力其实是四种力中最弱的力!

举个例子就明白了!整个地球的质量吸引住一块铁块,但你可以轻松地对抗整个地球的引力,因为你随手就可以把铁块扔到很远的地方!还有,一块磁铁就可以轻松地吸起铁块,也就是说对抗整个地球的引力,可见引力有多大小!

引力究竟有多小?假如强力为1,那么引力的大小只有10的39次方分之一!小到无法想象!

更重要的一点,万有引力定律中的半径其实是质心之间的距离,并不是物体之间的距离,也就是说把一个物体看成一个点!比如说,你让地球和月球紧挨着,这并不是说它们的距离就是0,而是地球半径加上月球半径!

即使你能做到让两个物体之间的距离很近,比如让两个中子靠得非常近,这意味着什么?意味着如今近的距离强力开始发挥作用,而强力是自然界中最强大的力,这时候的引力相对强力早就可以忽略不计了!你需要极大的能量才能让两个中子靠得无限近!而让中子靠得很近的结果不就是形成中子星吗?想象中子星是如何形成的!

牛顿的万有引力定律只适用于宏观低速低引力世界,高速强引力世界需要用相对论诠释,而微观世界也有量子力学!所以,如果只看万有引力公式很容易走进死胡同!

说得再直白点,牛顿的万有引力定律就是一个近似值,是相对论在低速低引力世界的近似值,是一个特例!因为在相对论概念里,引力根本就不存在,只是时空弯曲的一个表现形式而已!在我们生活的低速世界,可以用牛顿的万有引力定律,比如发射火箭卫星时,万有引力定律足够用了,已经足够精确了!但在高速世界和微观世界,万有引力定律就完全失效了!


宇宙探索


所谓的万有引力、库仑力和毕一伐定律都是与距离的平方成反比,当质量、电荷和运动电荷产生的电流为常量时才会出现r→0时,力趋于无穷大。但问题在于当r→0时,质量、电荷和运动电荷产生的电流以比r→0更快的速度趋于O,因此不会出现力趋于无穷大的问题!以质量均匀分布的球体为例:质量以r的3次方趋于0,所以在球体内部的万有引力值与到球心的距离成正比,而不是反比。因此r→0或等于0时,万有引力也趋于或等于0!不是无穷大!











彭晓韬


答:万有引力定律描述的是两个点质量之间的相互作用,在经典力学当中不存在绝对的点质量,所以两个物体无限靠近时,引力并不会无穷大,但是在相对论力学当中存在例外。


牛顿在300年前创立经典力学,经典力学的基础包括牛顿三大运动定律和万有引力定律,经典力学可谓统一了天上地下的一切。

我们从万有引力定律出发,有人可能会发现,万有引力定律的分母是距离的二次方,那么当距离足够小时,万有引力似乎变得无穷大。于是某些人高呼,我终于抓住了牛顿大神的把柄,要把他叫起来对峙。

然而牛顿比你聪明上百倍,这点小伎俩牛顿都不屑理你;如果对上面的问题想不通,只能说你连万有引力定律都没看懂。

万有引力定律:任意两个质点通过连心线方向上的引力相互吸引,该引力大小与它们的质量乘积成正比,与距离的平方成反比;数学公式为F=GMm/r^2,其中G=6.672×10-11N·m^2/kg^2。

这句话当中的关键词是“质点”,质点是一个理想化模型,质点有质量但是半径为零,我们来考虑几个实际问题。

一、两个铁球靠在一起

实际当中的铁球存在半径,质心不可能无限靠近,比如两个10千克的实心铁球,直径大约是0.134米,哪怕两个铁球完全接触在一起,你计算出来的万有引力也是非常非常小的,因为万有引力常数G实在太小了。


二、铁球半径不断缩小

有人可能会继续想了,如果两个铁球也缩小了,这样它们的质心就无限靠近,万有引力是不是无穷大了呢?

当然不是!你要知道对于铁球来说,体积与半径的三次方呈正比,所以质量也是与半径的三次方呈正比的。你的两个铁球半径缩小为原来的一半,那么万有引力公式分母将缩小为四分之一,但是分子上的质量乘积将会缩小为64分之一,所以分母不可能缩小得比分子快,这个模型下万有引力不可能出现无穷大。


三、原子间的万有引力

根据铁球模型,我们就能知道原子间的万有引力不会无穷大,但还是要提一点的是,微观世界中强力、电磁力和弱力其主导作用,比如电磁力的强度是万有引力的10^38倍,所以微观世界中的万有引力完全可以忽略掉。


四、一个巨大物体的质心处

我们还不死心,再来想象当其中一个物体的质心是空心的,然后两个物体的质心重叠会怎么样?

最简单的例子,就是我们挖一条地道到地心处(假设行得通),然后人的质心和地球质心重叠,那么我们受到的地球引力会无穷大的吗?

当然不会,在地心处的引力反而会减小为零,因为我们利用万有引力定律和微积分知识,可以很容易得到这么一个有趣的结论:就是对于一个质量分布均匀的物体,其内部的万有引力大小,等于物体所在半径处内部物质的引力,而所处半径外部的物质,其左右两个的引力刚好完全抵消了。

于是,地球引力场分布其实是下面的情况,在地球表面的引力是最强的。


五、黑洞奇点

在经典力学的框架下,你不可能得到引力无穷大的情况;此时爱因斯坦出场了,爱因斯坦把时间和空间折腾了个遍,最后得到大名鼎鼎的广义相对论,在广义相对论中,就描述了一个半径无限小的黑洞奇点。如果根据广义相对论对黑洞的描述,那么黑洞奇点处的引力确实是无穷大的。

爱因斯坦说:牛顿啊,要不要出来走两步!

牛顿:算了,这是你的主场,我还是继续睡吧!

实际上,对于任何物体,你要你把体积缩小到一定程度,这个物体就会变成黑洞,比如把地球的半径压缩到9毫米;或者把一个人压缩成直径10^-26米的小球,这比一个电子直径还要小十亿倍呢!


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艾伯史密斯


天啊,这是脑筋转了一个弯之后,转大劲儿了。即使针对牛顿经典力学,你也整岔劈了。

是的,你看到Gm1m2,除以距离r平方,但是初中物理没有理解基本概念,即物体的质量,以及他们抽象为一个带有质量的点之后,那个点一般是指物体的重心。

比如你拿两个10KG的规则球状铁球或者铁方块,把两个铁球紧紧靠在一起,他们的距离,也不是0,是抽象为两个有质量的点,两个点之间的距离不是无限小,是两个铁球半径之和。

有人说,我造两个球体有质量,但体积无限小。。。大哥,你要说能把电子都弄走,完全是中子紧排在一起,那你造出来的是中子星,两个黑洞,当两个黑洞的距离靠近时,他们就开始互相吞噬合成一个黑洞了。。。

电子和原子核之间,也是有距离的,原子核,以及质子和中子也有质量,电子和原子核之间距离也并不是无穷小,电子绕着原子核旋转,起作用的主要也不是万有引力。

也就是说,有质量的两个物体,距离不可能是无穷小,当他们到了电子质子中子级别,主要要考虑强核力之类的


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