宇宙中引力“不存在”，我们也是“泡”中人，科学家：已经证明

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@小白创作中心

宇宙中引力“不存在”，我们也是“泡”中人，科学家：已经证明

引用

来源

http://www.cnvlab.org.cn/front/article/18635.html

在刘慈欣的小说《山》中，描述了一个生活在星球内部的硅基文明，他们所处的世界被称为“泡世界”。在这个世界里，居民们生活在失重状态中，直到几万年后才意识到引力的存在。这个科幻设定其实与物理学中的一个有趣现象密切相关——均匀球壳内质点间的万有引力为零。本文将通过牛顿引力理论，解释这个现象背后的物理原理，并探讨它与我们所处宇宙结构的联系。

引力的线性叠加性

在牛顿发展引力理论的过程中，有一个关键问题是将月亮的运动和地球上的落体运动统一起来。牛顿认为，地球表面落体运动的加速度可以写成g=Gm/R^2，其中G是万有引力常数，m是地球质量，R是地球半径。但为什么能把地球看成质点呢？

牛顿给出了严格的证明。假设在空间中建立一个坐标系，在原点处有一个质量为m的质点，空间中分布着质量分别为m1、m2、m3、……、mn的n个质点。体系对质点m的引力可以表示为：

这表明两质点之间的引力作用只与这两质点有关，而与第三者、第四者等是否存在无关。这个性质被称为引力的线性叠加性。

均匀球壳内质点间的万有引力

设球壳内有一个质量为m的质点，其与球心的距离为R，球壳的密度为ρ，球壳的质量为M=ρ4/3(R2^2-r1^2)。以球心为原点建立坐标系。由对称性可知，球壳对质点的引力必沿着z方向，x、y方向上的合力为0。球壳上一微元对质点的万有引力为：

在z方向上的分力为：

这就说明了，对于均匀球壳来说，球壳内任一质点受到的引力为零。

为什么会出现均质球壳内质点受到的引力为零这样的结果呢？

其原因恰恰是引力与两个质点之间距离的平方反比关系。考虑球壳内一个质点m受到两个椎体内球壳上质点的引力，设其质量分别为M1，M2，当锥顶角θ很小时有M1/r1^=ρS1/r1^2=ρθ，M2/r2^=ρS2/r2^2=ρθ。因此质点m受到两个方向相反的力，其大小为F1=GM1m/r1^2=Gρθm，F2=GM2m/r2^2=Gρθm。所以有F1=F2，而球壳上所有的点都可以分成这样关于质点m的对称的两类点，所以质点m所受的合力为零。