解釋者: 什么是引力？

Lauren Fuge

2018/1/4

  從牛頓到愛因斯坦, 我們關(guān)于引力的想法在過去幾個(gè)世紀(jì)里已經(jīng)顯著的變化了。勞倫·福格解釋這一切關(guān)于的。

兩個(gè)黑洞彼此一起渦旋, 發(fā)出引力波。Mark Garlick / Science Photo Library

    我們幾乎不考慮它, 但引力定義我們?cè)鯓优c我們的世界交互。我們?cè)谒?b>約束內(nèi)成長(zhǎng), 并且我們的肌肉、平衡系統(tǒng)、心臟和血管都依賴于它。引力字面上支撐著我們------但它究竟是什么呢？

基本的想法

    物理學(xué)家視引力為一種主宰宇宙的四個(gè)基本力之一,與電磁力和強(qiáng)核力和弱核力一道。一種被定義為相互作用的力改變一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng), 并且因此這四種力支撐著所有的物理學(xué)并定義在宇宙中一切怎樣交互作用的------從星系浩瀚的宇宙到在一個(gè)質(zhì)子或中子內(nèi)把夸克緊緊束縛。

    在這些力中引力是最弱的, 但它是我們已經(jīng)曉知最久的一個(gè)。幾個(gè)世紀(jì)以來, 我們知道了我們的腳被保持在地面上, 而行星被保持在圍繞太陽運(yùn)行的軌道上。甚至在數(shù)學(xué)上描述引力之前,十七世紀(jì)的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家約翰·開普勒就已經(jīng)制定了來精確的預(yù)測(cè)行星的運(yùn)動(dòng)的定律。

    不幸的是, 沒有人有過任何第一位的為什么行星正在繞動(dòng)的線索。

牛頓萬有引力定律

    艾薩克·牛頓進(jìn)來了, 他意識(shí)到了在行星和太陽之間一定有一個(gè)作用力(他也定義了力是什么)。不管是否一個(gè)落下的蘋果真的促使了他的靈光時(shí)刻, 他提出了來描述這一力的行為的方程式是革命性的。

        F = Gm₁m₂ / r²

    這個(gè)等式說引力是一種兩個(gè)有質(zhì)量的物體相互施加的作用力, 僅僅是因?yàn)樗鼈冇?b>質(zhì)量。力(F)的強(qiáng)度是正比于這兩個(gè)物體 (m1 和 m2) 的質(zhì)量除以它們之間的距離(r)的平方。G是一個(gè)測(cè)量這種力的基本強(qiáng)度的常數(shù)。

    它歸結(jié)為這樣: 物體越大的多, 它們之間的吸引力越強(qiáng), 而它們的距離越遠(yuǎn), 這個(gè)吸引力就越弱。

著名的故事說大約1665年牛頓在看到在他的果園里一個(gè)蘋果落下后第一次沉思了引力。Hulton Archive

    考慮與牛頓相關(guān)聯(lián)的引力啟示的有關(guān)傳說: 一個(gè)蘋果從一棵樹上掉下來。牛頓萬有引力定律告訴我們, 不僅地球牽引在蘋果上, 這個(gè)蘋果也牽引在地球上。但地球的巨大質(zhì)量意味著它用更多更多的力來移動(dòng)它一個(gè)可觀的量, 因此這個(gè)蘋果翻滾下來而地球仍然實(shí)際上不動(dòng)的。在一個(gè)更廣泛的背景下也是如此。宇宙中的每一個(gè)天體正在吸引著每一個(gè)另外的天體, 但越近和它的質(zhì)量越大，它的引力力量越大。

    通過將幾個(gè)數(shù)字插入這個(gè)方程, 我們能描述并預(yù)測(cè)幾乎地球上所有的引力現(xiàn)象加上行星、彗星和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。它解釋為什么恒星會(huì)聚集成星系和為什么星系團(tuán)聚形成星團(tuán)的。

    但這個(gè)方程式并不能完美的描述我們所看到的一切, 例如, 在水星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道中某些漸進(jìn)變化的大小。并且正如牛頓他自己甚至好奇了的, 一個(gè)力怎樣能夠瞬間的在一個(gè)甚至穿過這個(gè)空間的真空的距離上起作用呢？

愛因斯坦的廣義相對(duì)論

    在牛頓的宇宙中, 空間是一個(gè)像恒星和行星一樣的天體移動(dòng)穿過的平面和空的地方,但愛因斯坦采取了一個(gè)不同的方法。

    在一個(gè)二十世紀(jì)的頂尖的科學(xué)成就中, 愛因斯坦和他的前教授赫爾曼·閔可夫斯基表明了空間和時(shí)間不是分開的實(shí)體, 而是一個(gè)單一的四維連續(xù)體。他們想象了它像一種織造一樣穿過這個(gè)宇宙伸展。

    愛因斯坦究因了任何有質(zhì)量的天體都會(huì)與空時(shí)的織造交互作用并造成扭曲。正如一個(gè)經(jīng)典的類比一樣, 想象空時(shí)為某些像一個(gè)蹦床一樣的東西。放置在中間的一個(gè)保齡球會(huì)彎曲這個(gè)織造并創(chuàng)造一個(gè)井。如果你然后在保齡球附近放一塊大理石, 它就會(huì)渦旋繞著這個(gè)井被向內(nèi)拉, 就像地球怎樣繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣。

    愛因斯坦的廣義相對(duì)論因此把引力描述為不僅僅是一種力, 而且是幾何學(xué)的, 它是一個(gè)物質(zhì)怎樣扭曲空時(shí)的結(jié)果。

    與牛頓的理論不同, 廣義相對(duì)論通過考慮到由太陽質(zhì)量引起的空時(shí)擾動(dòng)正確的描述水星的變化軌道。

    自從愛因斯坦在1915年發(fā)表了他的理論起, 它已經(jīng)獲得了一個(gè)來支持它的高聳的觀測(cè)證據(jù)。它正確的描述圍繞太陽和遙遠(yuǎn)星系團(tuán)的光的彎曲------因?yàn)殡S光沿著一個(gè)空時(shí)的輪廓由遠(yuǎn)到近經(jīng)過它時(shí)質(zhì)量彎曲空時(shí)。廣義相對(duì)論也被引力紅移的測(cè)量驗(yàn)證, 正確的預(yù)測(cè)恒星的引力是怎樣伸展它們的光的頻率的。

這張哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的圖像是利用一個(gè)星系團(tuán)創(chuàng)建的引力透鏡產(chǎn)生的。NASA/STScI/ACS/ESA

最近的和壯觀的, 引力波探測(cè)提供了大質(zhì)量的天體不僅扭曲空時(shí)而且當(dāng)兩個(gè)如黑洞的天體猛烈碰撞時(shí)也能在它之中創(chuàng)造漣漪的確鑿證據(jù)。

引力為一種基本力

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    然而, 奧秘依然存在。引力可能是宇宙的基本力之一, 但它目前似乎根本的與其它的不相容。

    甚至在愛因斯坦之前, 物理學(xué)家就努力制定一個(gè)單一的把宇宙的每一個(gè)物理方面包括所有的基本力和粒子聯(lián)系起來的理論。一種"一切的理論"將是物理學(xué)的終極成就。雖然量子場(chǎng)論 (QFT) 成功的將電磁學(xué)和強(qiáng)弱核力帶到了一起, 但它卻與包括廣義相對(duì)論斗爭(zhēng)的。愛因斯坦在他的職業(yè)生涯的后半部分試圖拼出引力怎樣配進(jìn)來的, 但沒有獲得很大的進(jìn)展。將這兩個(gè)理論框架聯(lián)系起來是一個(gè)開放的研究領(lǐng)域, 跨越量子引力、弦理論、M理論等更多的領(lǐng)域。

    這些嘗試似乎是一個(gè)遠(yuǎn)離牛頓和他的蘋果的世界, 但對(duì)科學(xué)為一個(gè)整體它是一個(gè)微宇宙: 有時(shí)這個(gè)宇宙比首先想到的是一個(gè)更復(fù)雜很多的整體和一個(gè)更有趣的整體。

勞倫福格（Lauren Fuge）是一位基于阿德萊德的作家和科學(xué)傳播者。

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