引力,既強大又弱小,它到底是什麼?

2019-06-11     科學信仰

任何有質量的物體都具有引力,任意兩個有質量的物體之間都會產生引力作用,這就是牛頓所講的萬有引力。

引力極為強大,強大到宇宙星體皆受其控制。引力讓月球圍繞地球運行,引力讓地球圍繞太陽公轉,引力使所有的恆星系、星系、星系團都能夠穩定有序的運行。

然而,引力也極為弱小,在四種基本力之中,引力是最弱的。即使是一個孩童,也能夠輕易從地上撿起一塊石頭,即使這塊石頭正在受到整個地球的引力拉拽。牛頓認為,物體之間的引力作用除了和質量有關,還與距離息息相關。距離越遠,引力越弱。

萬有引力公式很好的描述了引力與物體質量乘積和距離平方之間的數學關係,如果我們在日常生活中去運用萬有引力公式,你會驚嘆其竟然如此準確。

遺憾的是,我們所處的環境是一個弱引力場,當我們將萬有引力公式帶到強引力場的時候,我們就會發現計算結果與實際情況相差太遠。科學家最早發現這一問題是在計算水星軌道的時候,萬有引力公式對水星近日點的計算出現了很大的差異。萬有引力的困惑不止於此,牛頓困惑於引力在真空中的作用機制,而對於引力的傳播,他則認為是瞬時發生的。

雖然牛頓的萬有引力並不完美,但在弱引力場之下已經足夠用了,後來,愛因斯坦攜帶廣義相對論而來,帶領人類對引力的認知實現了進化。

愛因斯坦認為,引力之所以既強大又弱小,是因為其根本就不是一種力,而是一種幾何效應。如果其是一種幾何效應,那麼在真空中的作用機制就會變得簡單很多。真空的空間是平直的,而有質量的物體會導致時空的彎曲,你可以想像有一張平直的大網,一個球體墜落於大網之上,將網壓出一個坑,而其它物體則會因此而向坑中心滑落,這就是引力效應。當然,這只是為了便於理解,實際情況有所不同。

宇宙沒有上下之分,更不是一個平面,所以宇宙天體所導致的時空彎曲是來自於各個方向的。

物體的質量越大,則造成的時空曲率就越大,引力效應也就越加明顯。而時空彎曲又可以被拆解為時間彎曲與空間彎曲。通過天文觀測而證實的引力透鏡和引力波就是空間彎曲有力的證明。

而使用放射性衰變時鐘所進行的鐘慢效應實驗可以很好的證明時間的彎曲。愛因斯坦認為引力的傳播速度等同於光速,同樣也得到了證實。總之愛因斯坦於廣義相對論中進行的很多關於引力的預言都被後來的科學家逐步加以證實,這充分體現了廣義相對論對引力認知的準確性。但這仍然未可稱為是引力的真面目。

廣義相對論雖然對宏觀世界的引力效應做出了最為準確的描述,但它仍然不能稱為世界的本質規律,因為其只能適用於宏觀世界,而與微觀世界的量子力學格格不入。

​在廣義相對論中,宇宙是平滑的,而量子力學所描述的微觀世界則是劇烈漲落的。近代物理學的兩大支柱無法統一,在一定程度上說明了二者都可能只是一種近似理論,而非對宇宙本質的描述。只有出現一種理論能夠將廣義相對論和量子力學相統一,將宇宙間的四種基本力相統一,其才能稱之為宇宙的本質規律,而我們會將其稱之為統一場理論。

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