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利用电磁感应现象,人们发明了电力变压器,可以把电能从一根导线传输到另一根导线,那么会不会有引力变压器呢?
电磁力和引力很相似
不需要你物理学得有多好,只要细心,你就不难发现,四大基本作用力中的两个——电磁力和引力有着惊人的相似。
在静止状态下,静电力(也叫库仑力)与距离的平方成反比,引力也与距离的平方成反比;静电力与电荷的乘积成正比,引力也与质量的乘积成正比。所以,你只要在万有引力定律中用电荷代替质量,就能得到库仑定律。
不仅如此,当运动起来,两者依然有相似性,只是这一点不太为人所知罢了。我们知道,运动的电荷除了原有的电场,还会产生磁场,比如通电的导线周围就有磁场(电流本质上是电荷的运动)。运动的质量也同样如此。在广义相对论中,引力被理解为空间的弯曲,这是对物体静止时而言的;当它运动起来,除了使空间弯曲,还会对空间有拖曳作用,产生一种类似运动电荷磁场的“引力类磁场”。例如一个质量非常大的物体旋转起来,其产生的“引力类磁场”就有如勺子在糖浆里搅动形成的旋涡,这跟物体静止时大不一样。
此外,物理学家发现,描述引力场的广义相对论方程在近似的情况下,与描述电磁场的麦克斯韦方程有着惊人的相似。
1831年,英国物理学家法拉第把两根导线缠绕在同一根铁芯上,当他给一根导线通电的瞬间,在另一根导线上也检测到了电流,后者被称为“感应电流”。这就是法拉第最早发现的电磁感应现象,用我们现在精确的语言表达,就是:变化的电场产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场。
电磁感应后来成了变压器的工作原理。通过变压器,我们可以把交流电的电能在两根导线之间自由传递。
既然电流是电荷的运动,我们不妨把有质量的物体的运动看成是“质量流”。前面我们已经看到,质量类似于电荷,质量流类似于电流,那么类似电磁感应的原理又有什么理由不能用到质量流上呢?
比方说,我们只要把法拉第实验中的电流换成质量流,就能产生类似电磁感应的“引力感应”现象。如此一来,“引力类磁场”就可以把能量从一个质量流传递到附近的另一个质量流上了。
这就是最近由美国物理学家约翰·斯温提出的“引力变压器”的工作原理。
引力变压器藏身黑洞身边?
这个类比可谓合理而大胆,但也存在问题。
一个问题是,在通常的变压器中,铁芯是一种特殊的材料,可以被磁场穿透,换成不可被磁场穿透的塑料芯就不行了;那么现在,什么物质是对“引力类磁场”可穿透或者不可穿透的呢?换句话说,在“引力变压器”中,什么材料可以充当电磁变压器中铁芯的角色呢?
另一个问题是,这种引力变压器在什么地方可能存在?或者我们如何验证?斯温认为,宇宙中在黑洞附近,或许存在这种引力变压器,因为在那里存在高能的质量流;至于在地球上,验证这一想法的最好的地方莫过于欧洲大型强子对撞机。
当以接近光速运动的带电粒子在磁场中拐弯的时候,会产生强烈的辐射,这在物理学上叫“同步辐射”。斯温设想,对撞机上的高能粒子在拐弯时,应该还会产生引力辐射,即引力波。如果我们探测到这种引力波,也可以说明引力变压器的想法是有道理的。
可惜以目前的技术手段,探测大质量天体的引力波尚且不易,更不用说探测微小粒子的引力波了。