为什么引力势是负的,尽管引力作用的力和质量作用的距离是在同一个方向?

时间:2020-10-01 08:00:39   作者:
引力势是负的,因为引力是吸引的。

首先,重要的是要记住,在牛顿力学中,我们把引力势设为“零级”真的不重要:只有差异才重要。然而,在广义相对论中,这些东西确实是重要的。当两个物体相距如此之远,以致彼此之间没有任何可察觉的影响时,把势设为“零级”(也可以用精确的数学方法)是有意义的。

现在考虑这两个物体彼此接近。当它们开始“感受到”彼此的万有引力时,它们会加速向对方靠近。它们获得动能。原则上,这种能量甚至可以被提取出来,例如,驱动机器,发电,等等。这种能量从何而来?

因为能量是守恒的,动能的增加必须与某物平衡。这个东西就是负的重力势能。所以动能每增加一单位,势能就减少一单位能量。我们从0开始;所以每减去一个单位,就会进入负势能的区域。

如果引力是排斥力,情况就会不同。在这种情况下,为了让两个物体走到一起,我们需要投入能量来对抗排斥力。这就意味着(正的)势能的增加。事实上,势能的积累代表了做功的能力:如果物体被释放,它们会反弹回来,当(正的)重力势能转化为动能时,它们会相互加速远离。

这就是结论,排斥力意味着正的势能,引力意味着负的势能。需要注意的是,在非相对论力学中,所谓的“零级”并不重要,因为只有势能物质的差异(增益和损失);但在广义相对论中,“零级”必须表示物体完全不相互作用时的状态,例如,它们彼此非常(无限)地远离。
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