引力与距离呈平方反比定律,或许正说明我们的宇宙空间是三维的。
物理学中有四种基本力,其中强力和弱力只在微观尺度有效,电磁力和万有引力的作用范围是无限的,而且电磁力和万有引力都满足平方反比定律,实现生活中还有很多物理现象满足这一规律,比如灯泡的光照强度也是和距离平方成反比。
平方反比定律指的是物体或者粒子的强度,与距离的平方呈线性衰减,为了证明库伦力和万有引力严格遵循平方反比定律,实验科学家花了不少心血;万有引力非常微弱,使得万有引力的测量非常困难,但是库伦力很容易测量,目前科学家对库仑力指数的测量精度,已经达到了2±10^-10。
假如电磁相互作用不严格遵循平方反比定律,那么光子的静止质量将不严格为零,真空中的光速也将不固定,电荷也将不守恒,这会使得现有的整个物理学大厦坍塌,所以平方反比定律对于物理学来说非常重要。
电磁力和万有引力在形式上的这种相似性,是否存在更本质的原因,目前还有待人们去探寻,我们不妨从空间维度出发,来简单探讨下平方反比定律。
首先,电磁力和万有引力都可以用“场”来描述,分别叫做电磁场和引力场,场是物质的一种,它真实存在,而且有能量有动量,这是物理学中一个非常重要的概念,一旦离开了场,我们会发现很多物理问题变得棘手。
比如做加速运动的电荷会辐射电磁波,从而使自身受到一个阻尼力,这个力就没有反作用力;还有假如太阳发生超新星爆炸,地球要8分钟后才受影响,那么在这8分钟之内,地球受到的引力也没有反作用力,而且动量守恒定律也将被破坏。如果其中引入电磁场施加了反作用力,以及引力场带走了动量,那么这两个问题就能轻松得到解决。
有了场的概念,我们再来看平方反比定律就容易很多,一个点质量激发的引力场是向四周扩散的,无论扩散多远,场的矢量加起来都应该和初始时一致,因为场是物质,在电磁场中就对应高斯定律(磁场∮BdA=0,电场∮EdA=q/ε)。
我们把场想象成一个点光源,并且向三维空间中发射光子,距离发散点的半径为r时,发散面的面积为A=4πr^2,于是光子的扩散密度和距离平方呈反比,这或许就是平方反比的物理意义。
这一切都得益于我们宇宙空间是三维的,或者说电磁相互作用和万有引力在三维空间中传播,这个定律其实也可以利用数学推广到任意维度N,在N维度扩展的场强强度,与r^(N-1)呈反比。
所以大自然偏好平方反比定律是有着深刻原因的,至于强力和弱力,由于只在微观尺度有效,而且形式更为复杂,在超弦理论中描述还有七个维度蜷缩在微观世界,这之间是否存在联系谁也说不清楚。