为什么说引力是“无限范围力”？如果引力速度无限，会发生什么？

无知识的热心，犹如在黑暗中远征。——牛顿

我们都知道引力和电磁力属于长程力，意思就是说作用范围很远，那么如果宇宙是无限的，在138亿年历史的宇宙中，引力和电磁力目前的范围是多少？如果引力的速度没有限制，会发生什么？

首先说下我们对引力和电磁力的了解。

上图就是有关静电力和引力的方程，我们现在不用考虑力的大小和方向，只看方程中的r^2！在方程中可以看到不管是静电力还是引力都遵循一个平方反比定律，也就是说，当两个物体之间的距离增加一倍时，它们之间的力就会下降到之前距离的四分之一。这是一个非常特殊的关系，不仅适用于引力和电磁学，还有其他一些重要的物理性质也受平方反比的影响，例如光、声和辐射。

为什么说平方反比很特别呢？为什么引力和库仑力都会遵守这个定律？下面我们考虑一下，当我们离一个光源越远的时候，看到恒星发出的光是如何变化的？

假设上图中的S点是一个恒星，它发出的光会在一个球体中呈放射状向外运动，因此光会在一个不断膨胀的球壳中扩散开来。一个球体表面积的公式为： 4πr ^ 2，“r ^ 2”是一个非常重要的部分。为什么呢？因为如果面积根据r^2膨胀，那么光通量、力就会根据平方反比定律下降。(即，r ^ -2)，也就是说半径为r时的力或光通量就等于半径为2r时的4A，3r时的9A等等。

我们可以说这种衰减现象的范围是无限的。这意味着我们可以画一个以S（恒星）为中心任意大小的球体，这个中心可以是一个引力源（质量），一个静电力源（电荷），一个光源（恒星）等等！当我们把任意距离作用在球体上的所有东西加起来，无论是力还是通量，它们都是相等的。这不仅适用于整个球面，而且适用于球面上任意数量的立体角范围！

上图可以看到，距离越远，引力（星光）以距离平方反比下降，但是再怎么下降也是有引力、有光的。这就是我们所说的引力是“无限范围”力的意思。这也是为什么这些力、光的衰减都会遵循平方反比定律。

无限问题带来的奥伯斯佯谬

这里其实有个奥伯斯佯谬的问题，现在我们知道了，引力、星光可以是“无限范围”，如果引力速度和光速没有限制，或者我们可观测宇宙是无限的，并且宇宙也一直存在，那么遥远宇宙天体的引力和星光就会传播都无限远的地方，我们在地球上就能看到宇宙中所有星光的叠加，我们夜晚的天空就是明亮的。

但是我们可以观察到的宇宙并不是无限的！引力和光速也不是无限的，宇宙年龄也不是无限的，因此就没有无限的星光和无限的引力叠加。因此这个佯谬其实并不算是一个佯谬，只是因为当时人们对宇宙的理解不够，才会遇见违反只觉得事，虽然困扰了人类几十年，但随着对宇宙认识的加深，这个问题也就轻松的解决了。

引力和电磁力目前作用范围是多少？如果引力的速度没有限制，会发生什么？

虽然我们可以在可观测宇宙中看到数千亿个星系的星光，但对可观测宇宙的大小来说这个数字并不大。就像地球上的沙子很多，但对于地球来说，沙子的数量就不值一提。因此宇宙的浩瀚与无限还是有区别的。

我们无法获得更多信息的原因在于，宇宙并不是一直存在，而是在大爆炸后大约138亿年里，光和引力等才开始向我们移动，而移动的速度还有限制！

或者更准确地说，光和引力从源头开始向外球面延伸。当然我们也做着同样的事情：我们身体里、我们的星球上、我们的银河系里的每一个粒子的引力都在以光速向外延伸，力的大小为~1 / r^2，但根据~r^2，引力的范围也在扩大，扩展球面的最外层就是可观测宇宙！

我们的可观测宇宙是光、引力和其他有限速度物体可到达最远的部分，不能与整个宇宙（包括不可观测的部分）的大小（可能是无限的）相混淆。

我们有充分的理由相信整个宇宙比可观测部分要大得多，但是我们的信号无法到达可观测宇宙以外，相反可观测宇宙的信号也无法到达我们这里，因为宇宙发出信号的时间是有限的，这些信号传播的速度也是有限的。

就像奥伯斯所设想的那样，如果信号以无限快的速度传播，宇宙也一直存在，并且是无限的，那么我们将会感受到来自遥远宇宙不同引力源的万有引力，看到遥远宇宙无数星系的星光，虽然它们每个都会随着距离的平方减小，但是如果无限的引力和无限的星光叠加在一起，我们会发现自己，包括宇宙中的其他部分会被不知道从哪里来的力拉向一个随机的方向，我们找不到任何原因。我们的整个夜空也将会被无数的光源照亮。

如果引力的速度是无限的，我们物理学定律将被打破，因为广义相对论将无法描述我们生活的地方，宇宙中各个有质量物体都会感受到来自对方的引力。宇宙中能量密度过大的区域会率先在引力的作用下收缩，而整个宇宙本身将不可避免地在短时间内重新崩塌。

所以，虽然我们拥有的万有引力、电磁力是一种“无限范围”力，但它们以光速这个有限的速度传播，在一个有138亿年历史的宇宙中，大约传播了460亿光年。这是因为引力速度和光速度是相同的，因此也等于我们可见宇宙在各个方向上的大小！这就是目前宇宙中所有引力和电磁力所能达到的最远的范围！这也是为什么引力的速度不能是无限的，如果真的无限，宇宙也不可能存在。