如果离得越近引力越大,为何紧密的两人那么容易分开?

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?

一个苹果在树上熟透了会掉下来,这个苹果如果在火星表面的树上,地球并不能把它吸过来,因为树离火星更近,如果是质量超级大的太阳,即使离得很远地球也会受到它的吸引,地球人最早明白这件事,并对引力效果进行量化的是牛顿,这也是牛顿的封神之作——万有引力定律。

在爱因斯坦出现之前,万有引力一直统治着人类的宇宙。如果从浅显的表面上理解万有引力定律就会出现很多问题,既然苹果离地球近被地球所吸引,为什么沙滩上的沙子离得那么近却没有相互吸引粘成块?如果两个物体之间的距离无限趋近于零,那么引力就会无穷大吗?

我们从宇宙万物的现象和对牛顿的万有引力的粗浅理解往往把万有引力表达成,万物间互相都存在相互吸引的力,这个力与两个物体的质量(M、m)成正比,与物体间距离(R)的平方成反比。而在牛顿《自然哲学的数学原理》中准确的描述是:

任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比。

质点在万有引力定律中很关键,简单的理解是只具有质量的点。两个苹果都是0.1kg,紧紧挤压在一起,表面之间距离无限小,但实际上它们之间有一个苹果的距离。

图:显微镜下沙子的模样

如果一个苹果在北京,一个在上海,之间距离很大,苹果的体积大小可以忽略不计,就可以把苹果当作两个只有0.1kg的质量的点。同理沙滩上的沙子虽然相互之间很近,但沙子也是有体积的,这个体积相对于它们之间的距离并不是大到可以忽略不计,因此它们之间的距离R并非无穷小,也就无法达到引力无穷大。

如果质点间的距离无限小,引力是否会无穷大?

答案是肯定的。比如太阳和地球,要想满足质点间的距离无限小,首先需要让太阳和地球相互靠近,当地球来到太阳表面离太阳,还有一个半径(地球+太阳)的距离,要满足质点的条件就需要把它们无限压缩,促使它们可以无限接近,压缩成理想状态中的两个体积无限小的点。

压缩的过程中,质量不变,球体半径R不断减小,当R小到史瓦西半径,所有的质量都会坍缩到中心形成奇点,并且光进入到它们的史瓦西半径R内将无法逃脱,我们把这个光逃不出的半径区域叫做视界,即视觉的界限,而这个中心为奇点,视界遮盖着它的天体叫做黑洞。

黑洞的引力不说你也知道,逃逸速度可以间接的描述一个天体的引力强度。例如在地球上火箭脱离地球的引力需要达到11.2km/s,跳一下3尺高,而在月球上一蹦10尺高,显然火箭更容易逃逸,月球的逃逸速度为2.38km/s。而黑洞视界内光都无法逃脱,光速是13万km/s,是宇宙中的极限速度。

当地球质点(黑洞)和太阳质点(黑洞)相互接近就会合并成一个黑洞,损失部分质量,释放出引力波。

当然这一些都是理想状态下,为了满足万有引力中质点的条件,实际情况太阳与地球都不可能形成黑洞,地球压缩成黑洞都不到指尖大小,即使是太阳压缩成黑洞,也属于超级迷你黑洞。根据霍金的理论,这样的黑洞不存在,因为它的能量(质量)会很快蒸发,瓦解掉。

结论

引力的大小的前提条件是两个质点,而质点只是一个理想化模型,当我们把物体进行压缩,达到无限接近理想化的质点,再让这两个质点无限接近,那么它们之间的引力是无限大的,无论是两粒沙子,还是两个苹果。但如果仅仅只是两个人仅仅相挨,或者两个苹果表面贴表面,根据万有引力公式:万有引力常数G为:G=6.67x10^-11 (N·m^2 /kg^2) ,在引力常数面前,由于两个人、两个苹果或两粒沙子的质量很小,物体都存在一定的体积,质心间的距离平方并不足以让它们之间的引力具备显著的效果,因此两个人不会粘在一起。