为什么作用力和反作用力总是大小相等,万有引力有反作用力吗?
万有引力的反作用力当然也是万有引力,在牛顿力学下,作用力和反作用力是同一类型的力,并且总是大小相等,方向方向,作用在一条直线上,同时产生,同时消失。但是在相对论力学中,牛顿第三定律就具有局限性。
牛顿第三运动定律
在17世纪,牛顿提出万有引力定律和牛顿运动三大定律,奠定了经典力学的基础,其中的牛顿第三运动定律,就是描述相互作用的两个质点间,作用力和反作用力的关系。
比如地球对月球产生的万有引力,提供了月球绕地球运转的向心力,同时月球对地球也有吸引力,其大小与前者相等,两个力相互作用,使得月球和地球本质上是绕着一个质量中心旋转,这个质量中心大约距离地球几何中心4000公里处,处于地面之下。
又比如我们站在地面上,会受到地球的吸引力,吸引力的分力就是我们的重力;理论上,我们也会对地球产生吸引力,但是由于地球质量比我们大很多,所以我们对地球的吸引力并不会对地球产生明显影响。
相对论力学
那么我们来考虑一个极端情况:一颗行星绕着一颗红超巨星运行,行星轨道半径15亿公里(1.4光时),在某一时刻,红超巨星发生超新星爆炸而解体,但是超新星对行星引力的影响,要在1.4小时后才到达,那么请问,在这1.4小时内,行星受到恒星万有引力的反作用力是什么?
分析:此时引力变化还未传达到行星,行星还是照样公转,照样受到一个引力作用,但实际上此时恒星已经不存在了,那么这个反作用力在哪呢?或者说此时作用力和反作用力还是同时的吗?
其中的关键,还是牛顿力学认为万有引力的传递是瞬时的,而相对论认为万有引力的传递是光速,一旦我们在相对论层面考虑相互作用,更多的是结合“场”的概念来理解,场是物质形式的一种,它真实存在,具有质量和动量。
万有引力能激发引力场,电荷能激发电场,同时,场可以传递相互作用,并且以光速运行,有了场的概念后,我们就能解释超新星中作用力和反作用力的难题。
作用力和反作用力的本质
在相对论中,牛顿第三定律显然具有局限性,说明牛顿第三定律并不是物理学的深层定律,那么更深层的物理原理又是什么呢?
我们在学习牛顿力学时,会遇到这么一个有趣的结论,就是动量守恒定律根据牛顿三大运动定律(准确地说是用到了牛顿第二定律)推导出来的,但是动量守恒定律的适用范围比牛顿三大定律的范围广。
甚至动量守恒定律不仅限于牛顿力学,在相对论力学和量子力学同样适用,以至于微观、宏观、低速和高速的任何情况下都适用,实际上动量守恒定律就是我们世界的基本定律之一。
力是动量对时间的微分,动量是守恒的,对于两个质点之间的相互作用,我们很容易推导出力总是成对存在,并且两个力总是大小相等,方向相反,并且具有同时性,也就是牛顿第三定律,所以说牛顿第三运动定律的本质其实就是动量守恒定律,根据诺特定理,动量守恒则是空间平移对称性导致的。
理解这点之后,我们就能很容易解释超新星和行星之间的相互作用了,红超巨星激发的引力场会携带动量,速度是光速,超新星爆炸的作用传到行星之前,其实是之前的引力场携带动量在和行星发生相互作用,于是就解释了牛顿力学中作用力和反作用力不同时的问题。