漫谈引力势能

宇宙飞船自地外返回地球时，要穿过约80公里厚的大气层，其表面在极高的速度下与空气发生剧烈的摩擦，产生1000多度的高温。如果在地面使飞船表面达到如此的高温，就得给它加热，需要消耗大量的热能或电能。那么飞船穿越大气层时达到高温所需的能量来自何处呢？众所周知，能量既不会凭空产生，也不会消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，就是所谓的能量守恒定理。仔细分析就知道，这些能量是由飞船的引力势能转化而来的。其转换过程为：引力势能先转化为动能，飞船克服大气阻力做功生热，于是动能就转化为内能。可是飞船的引力势能是如何得来的呢？这可以用上图来说明。图中飞船A处在地球的引力场G中，假如飞船受到火箭逆地球引力的推力F，移动的位移为S，则飞船和地球之间就具有了引力势能W，可以表示为:

W=Fs或W=Gs

由此可以得出，飞船的引力势能是由火箭的化学能转化而来的。

天外的流星落到地球的过程和飞船返回地球的过程甚为相似，但如用以上的推理来分析就有一点令人不解，流星的引力势能从何而来？它不可能是火箭推到太空中，所以谈不上其引力势能是什么能转化的问题。

众所周知，光太阳系中，可以形成地球流星的小行星就不计其数，它们和地球之间都具有引势能。其实不光流星和地球之间具有引力势能，月亮、太阳，甚至遥远的星系和地球之间都具有引力，亦即具有引力势能。推而广之，只要有引力场存在就存在引力势能。

1687年，艾萨克-牛顿爵士提出了著名的万有引力定律，在定律中他提出，宇宙中任何一个物体都被另一物体所吸引，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与其间距离的平方成反比。根据牛定律，宇宙中任何两个物体都有引力，也就是说，任何两个物体都有引力势能。那么这些引力势能从何而来的呢？

由前面分析的飞船势能产生的原因是使飞船沿着引力场反方向做功产生位移。若两物体间具有引力势能，就得有力沿着两物间的引力反方向做功，做功必然使物体产生位移，也就是说他们以前曾经靠得很近，甚至可以得出，具有引力势能的两个物体曾经必须靠得很近，甚至是一个物体。推而广之，宇宙中任何物质都靠边得很近或是由一个物质分离出去的，只有这样，才能解释宇宙间任两个物体具有引力。若在以前，这种推论一定会被认为是天方夜谭，异端邪说，不可思义，直至哈勃发现哈勃定律。

1929年，埃德温-哈勃做出一个具有里程碑意义的观测，即是不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀，这意味着，在早先星体间相互之间更加靠近。据有关计算得出，大约在100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以那时宇宙的密度无限大，这就得出了后来被科学界称为宇宙大爆炸的理论。

如果说宇宙起源于大爆炸，就解决了宇宙间物质引力势能的起源的问题。根据大爆炸理论，在100~200亿年前，宇宙起源于被称为奇点的东西。尽管大爆炸理论发生的原因科学界还不十分清楚，但科学家仍可以推算出宇宙的能量在大爆炸后转化为物质的质量和动能，物质在四面爆发的过程中克服引力做功，才造成今天的引力势能。由此得出结论，宇宙间物质的引力势能是由宇宙的能量转化而来的。

问题到此，似乎该结束了，但是宇宙自大爆炸至今已愈200亿年，按照爱因斯坦的广义相对论，宇宙中任何物质的速度不能大于光速，也就是说，宇宙中有物质的范围是个半径不大于200亿光年的球体。那么这个球体之外广袤的宇宙中有些什么呢？按照现在理论，应该是连能量也没有的巨大的空间。众所周知，人类发现科学真理的过程是一个由简单到复杂，就像人们开始相信地心说，后来才相信日心说，再后来才知道还有太阳系、银河系、河外星系、总星系。随着人们的视野越来越宽广，科技越来越发展，有什么理由相信宇宙的全部的能量只能由一个奇点爆炸而来，而不能由两个甚至多个奇点爆炸而成呢。

那么我们是否可以得出以下的假说呢？不同的奇点爆炸形成不同的宇宙，各自独立地演化成各自的星系。现在的科学定律在各自的宇宙中都适用，但不同的宇宙的物质彼此不具备形成引力势能的条件，所以没有引力势能，也就是说，一个宇宙的物质在另一个宇宙中不存在引力场。人们常常探求引力是否可以屏蔽，而不同宇宙间的物质彼此不存在引力场，就解决了这个问题。但两个宇宙间的距离是那样的遥远，以至于得用百亿光年来表示。就算是将来的飞船可以达到光速，也得需几百亿年的时间，如果将来人类可以涉足到另一个宇宙，可以把另一个宇宙的物质带到我们的宇宙，因为它不受我们宇宙的引力的作用，所以它在我们的宇宙中，应该就像我们宇宙的物质处于失重状态一样。为了能把问题表述清楚，我们可以称我们所在的宇宙为本宇宙，而把另外的宇宙称为外宇宙。如果把外宇宙的物质涂在本宇宙的物质的周围，因外宇宙物质屏蔽本宇宙的引力场，所以也可以使本宇宙的物质失去引力的作用，而处于失重状态。但这里却有一个问题要解决，即本宇宙的物质的引力场被外宇宙物质屏蔽，和外界的引力场失去联系，也就是说，本宇宙的物质因失去引力而丧失了引力势能。本宇宙物质凭空丧失引力势能，这不符合能量守恒定律。那么被外宇宙物质包围的本宇宙物质与外面的本宇宙物质的引力势能消失到那里去了呢？众所周知，能量即不会产生也不会消失，它只能从一种形式转化为另一种形式。所以消失的势能必然转化为其本身的内能或其质量，而至使其本身的温度升高或质量增大。因为能量和质量可以互相转化，这由爱因斯坦的质能方程E=mc2来解决。这里E代表能量，m代表质量，c是光速。如果利用这种现象制造未来的飞船，必须要考虑两个因素，一是飞船和其内的物质因引力被屏蔽而使其质量增大，这对于飞船内的生物来说不会有什么问题；二是如果是引力被屏蔽后而至使飞船及内物质的内能升高的话，就会对生物构成威胁，要解决这个问题，就要处理升高的内能怎样转化为可令人类利用的能量。所以人类就要发明一套装置，使这些升高的内能可以转化为可供人类利用的电能。这样人类就可以把飞船内的废弃物转化为电能，但人类在利用这些能量的时候，必须考虑到：如果利用这些能量过度，就会损耗飞船的质量，所以必须有利用这些能量最低限度的警告装置，就像现代飞机的油量最低时发出报警的装置一样。

利用引力屏蔽的现象可以装备未来飞船的很多性能：一是飞船内的引力场。众所周知，在太空中，人类就会处于失重状态，给人类造成很多不便，但如果给船底部装上能供给引力场的装置，就能使人类在飞船内如同在地球上一样。但怎样才能发明这种装置呢？最其码得有可利用的理论根据。这种理论根据就是黑洞理论。所谓黑洞是根据爱因斯坦广义相对论提出的宇宙中质量巨大的天体，这种天体的特点一是引力很强，强到连光线也无法逃逸；二是其体积很小，到零的程度。所以人类可以发明一种装置，其外度上可以屏蔽引力的外宇宙物质，人类驾驶未来的飞船飞到黑洞的附近，因飞船配备屏蔽引力的装置，所以不会被黑洞的强大的引力而撕裂。人类就可用刚才提到的装置罩住黑洞，把它装置在飞船的底部，并把黑洞因引力屏蔽而失去的巨大的引力势能转化为飞船可利用的动力。并且人类可使这种装置具有调节外宇宙物质密度，进而调节黑洞的强大的引力场，使其引力场强度和地球引力场强度相等，这就使人类处在飞船内就像处在地球一样。

二是可使飞船的航线在宇宙中可以沿直线。众所周知，因为有引力场的存在，宇宙中任何物体的运动都是沿被称为测地线的路径而不是直线。例如，现代的飞船在登月的路线就是分好几步的轨道转换，而不由地球直达月球的捷径的直线。其登月的过程可以用如下图来加以说明：

待机轨道，这是环绕地球的圆形的轨道，飞船发射后首先进入待机轨道，像卫星一样运行。在此轨道对飞船进行各项检查，如一切正常后，在合适的时机以近11千米/秒的速度进入“奔月轨道”，它是一个椭圆的人造卫星的轨道，椭圆扁而长，远地点到了月球的背面，飞船适时地由奔月轨道进入绕月轨道。

如未来的飞船不受引力的吸引，就可以由地球直达月球，不必走上面的复杂的过程，可以节省时间和能量，使用未来的宇宙的旅行成为可能。

三，未来的飞船可以穿越虫洞。什么是虫洞呢?霍金在其<<时间简史>>中把虫洞描写成连接两个时空区域的时空细管，它能把两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。为了把虫洞说明得更加清楚一些,可用下面的图来说明: 因为引力的存在,我们的宇宙