基于現代物理學理論對引力與面積之間聯系的研究

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現物體表面的引力隨著面積增大而不斷減小，此規律適用于解釋天體運行和平衡現象。

關鍵詞：引力;面積;現代物理學;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]。而其產生機理主要是由于空間內部有無數微小粒子之間由于不斷運動而產生碰撞，在高速碰撞的過程中會產生引力作用。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，質點間的引力大小僅為兩者電磁力的1/1.235*1036，而質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量，kg;

r——是指兩者之間的距離，m;

G——是引力常數，通常根據周邊環境的改變而改變;

S——物質表面面積，單位為m2

在宇宙中，任何物質的體積都不能無限大，當體積達到上限時，則根據上述公式（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量和體積而造成的一種時空扭曲現象，質量越大則會造成更大的時空扭曲現象，則引力越大，而表面積則會對此種扭曲現象造成一定的干擾，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下，由于表面積不足但天體本身質量較大，造成引力壓力過大引發天體塌縮，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象，而并非由于其本身的質量影響，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

在近代物理學上，對于引力產生的根本原因并未作出具體說明，僅僅根據其由于質量過大造成時空扭曲而產生引力，但引力的大小往往與其表面積也是有一定關聯的。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，呈現出引力越小的現象。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，短程線路同樣會被扭曲。根據各個天體質量體積存在差別，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

在宇宙中常出現部分如黑洞這種極端狀態下的宇宙天體，它們通常擁有極大的引力，而某種猜想中將這種引力的產生歸結于空間扭曲。而在現代物理學中，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量較大，根據公式（1）可知，質量大、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，因此在現階段所捕獲的照片中表面均呈現為黑色，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量。說到引力歸根結底是和質量有關，萬有引力是把引力視為由質量引起的一種基本力，而愛因斯坦相對論則把引力視為質量引起的時空彎曲的表現。

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、引力起源的探討[C]// 中國數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]. 上海科學技術文獻出版社， 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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