引力,是什麼?
它能夠控制恆星的運動,它可以製造黑洞,它可以讓蘋果掉下來,這些都是引力的功勞,但是仔細想一想引力的本質到底是什麼?
雖然引力在宇宙中存在的非常普遍了,但是和其他幾種基本作用力的工作模式比較一下,立刻就會發現引力是非常另類的,首先最重要的就是引力和強核力,弱核力,還有電磁力相比,引力是非常弱的,而且它只能讓物體互相吸引,但不能讓物體互相排斥,這還只是引力的特點和怪異,如果站在量子力學的角度看待引力,事情就變得更加怪異了,目前為什麼會對引力感到非常苦惱?
因為,理解世界萬物的關鍵在於掌握其運行模式到能夠探究宇宙最底層的運行模式的時候,就可以用這個模式來預測未來,物理學就是想通過模式來理解宇宙和宇宙中的物質,這也是為什麼物理學家會如此痴迷於尋找一個“大一統理論”的原因,但是引力的不合羣是實現這個願望非常大的一個阻礙,現在就來説説“引力的怪異”。
從最直觀的角度講,之所以能夠站在地球上而不會被地球射向太空,原因就是因為有——“引力”,如果沒有引力,整個宇宙會變成一團漆黑,而且充滿塵埃和氣體的混沌體,沒有恆星,也沒有星星,就更不會存在生命了,引力的存在非常廣泛,但是它的力道是非常的弱,到底有多弱呢?
相對於其他三種基本作用力,它的強度大約是 1/10^36倍,這麼大的數字實際上我們已經完全理解不了了,不過可以粗略地這樣理解(整個宇宙中所有原子的數量大概是10^84個),那引力比其他力弱的倍數就是10^36,從一個小實驗就可以直觀地理解引力到底有多弱了,實驗如下:
隨便拿起一塊磁鐵吸住一顆直徑1CM的小鐵球,這個時候小小的一塊磁鐵給1CM小鐵球施加的電磁力,對抗着整個地球對1CM小鐵球的引力。一塊小磁鐵就可以對抗整個行星的引力,可見引力比電磁力要弱多少!
既然引力這麼弱,為什麼它在我宇宙中這麼重要,為什麼不應該把它忽略不計呢?
從直觀的角度講,如果一個東西比另外一個東西弱了10^36倍,那它就應該被完全碾壓了,不是嗎?
答案是:在超大的尺度和超大質量的情況下,引力就會變得非常重要,在4種基本作用力中“強核力”和“弱核力”都是短程力,一般只在亞原子制度上起作用,“電磁力”是長程力,但它為什麼不能成為主宰恆星和行星運動的作用力呢,因為“引力”有一項有趣的屬性,“引力”是單向作用力,它只會使物體相互吸引,而不會使它們相互排斥。
引力的大小和物體的質量成正比,而質量不能是負的,與之相反,“電磁力”擁有兩種類型的電荷(正電荷和負電荷),同樣,“弱核力”和“強核力”也有類似的屬性,它們叫“超荷”和“色荷”,它們同樣有多種數值,可以把質量當做粒子的引力荷(類似於電荷),它決定了這個粒子會受到多強的引力,但是在宇宙裏質量是不可以複製的,所以引力不會使粒子相互排斥,這一點就非常重要了,這意味着不同粒子之間的引力它們永遠不能抵消,而是會一直疊加下去,在大尺度上電磁力是可以互相抵消的。
舉例説明:
如果太陽它只帶正電荷,而地球上所有的東西都只帶負電荷,那它們之間的電磁力就會非常的大,這個大小會遠遠超過引力,但是從統計學上來講,地球上所有的粒子正電荷和負電荷基本上數量各佔一半,太陽差不多也是這樣的,所以太陽和地球之間既有相互吸引的電磁力,也有相互排斥的電磁力,這兩個力就互相抵消了。
在強大電磁力的作用下,電荷會被反覆調整,直到所有殘餘的不平衡都會消失,這個調整的過程大概在宇宙誕生40萬年左右 就已經完成了,幾乎所有的宏觀物質都以中性的形態存在,電磁力也在星球內部達到了平衡,所以很難在這個宇宙中找到一個自然形成的宏觀物體整體是帶正電的或者是帶負電的。
既然地球和太陽之間的電磁力總體為0,強核力和弱核力又是短程力它們鈎不到,那剩下的就只有引力了,這就是引力在行星和恆星尺度上成為主導的原因,其他的作用力都達到了平衡態,或者誰也勾不到誰,而引力只和兩個參數有關,就是兩個物體的質量和它們之間的距離,由於質量不能為負,所以兩個物體之間的引力會隨着它們有質量的粒子數的增加,而不停的增加。
總結一下
引力,有兩個特性:
第1個特性:它和其他幾種基本作用力比起來非常的弱。
第2個特性:其他的作用力是雙向的,它們會根據物體的屬性彼此吸引或者彼此排斥,只有“引力”通通表現為互相吸引。
這種明顯的不一致意味着它不符合現有的對宇宙認知的模式,或者還有什麼重要的內在邏輯我們沒有發現,事實證明確實是這樣,在更深的層次,引力也顯得非常的怪異。
目前的量子力學是作為同時解釋所有物質粒子和三種基本作用力的一個最好的框架,在量子力學裏所有的東西都可以用粒子來描述,無論是東西還是它們之間的作用力都可以被切成非常小的粒子,這種基本的粒子就叫做量子,當一個電子推動另外一個電子的時候,它並沒有使用某種看不見摸不到的力,或者是某種奇妙的心靈感應來驅動對方,這種相互作用來自於一個電子,向另外一個電子傳遞出了某種粒子,這種粒子可以轉移一部分的動量。
在電子之間傳遞作用的東西是“光子”,在弱相互作用下粒子交換的是“W玻色子”和“Z玻色子”,在強相互作用下粒子之間交換的是“膠子”,這個粒子物理的標準模型可以成功解釋非常多的自然現象,用量子粒子的方式看待這個世界,在實驗室中看到的現象都可以得到解釋,也可以預言未來能看到的東西(還沒有找到的物質粒子或者是“希格斯玻色子”)。
量子力學甚至可以解釋弱核力為什麼是短程力,因為搬運這種力的粒子質量很大,這就限制了它們的運動距離,然而標準模型有一個很大的問題,用這個理論它不能很好的解釋引力,也許你覺得科學發展到現在,已經沒有什麼解釋不了的東西了,但是偏偏是最常見的“引力”,目前的量子力學解釋不了“引力”的本質,根本的原因有兩個:
如果把空間想象成某種柔軟的流體,而不是一個抽象的空的概念,引力就可以變得很簡單了,因為質量或者能量的存在會彎曲它周圍的空間,從而就改變物體的運動軌跡,在這個理論裏引力它不是一種力,而是時空彎曲的一種表象,,在這裏面物質和空間之間它們是不存在某種力的,廣義相對論認為地球之所以圍繞着太陽轉而沒有飛向遙遠的太空,並不是因為地球被某種力困在了太陽的軌道上,圍着太陽轉是因為太陽周圍的空間以某種方式彎曲了,地球在這個彎曲的空間裏,以為自己是沿着一條直線運動的,實際上它是沿着一個橢圓來運動的。最常規的一個比喻就是,把空間想象成一個有彈力的彈跳牀,當你把太陽放在上面的時候,彈跳牀會整體的向下凹陷,然後你在上面彈動一個小球,這個小球本來是沿直線運動的,但是當它來到太陽周圍的時候,因為空間本身也就是彈跳牀它被彎曲了,這個小球也會呈一個彎曲的弧線來做運動,但這個過程中並沒有某種力拽着這個小球讓它繞着太陽運動,當然這只是一個直觀的比喻,實際上真實的情況是用數學來描述的。
這樣一來,引力質量不再被看作部分粒子有某種特殊的”荷子“,它衡量的是一個物體可以多大程度的彎曲它周圍的空間,儘管這個説法很詭異,但是它成功的解釋了局部引力,宇宙尺度的引力以及很多太空中奇妙的景象。
相對論,是一個非常偉大的理論,它預言了黑洞的存在,解釋了天體運轉的道理,還為我們提供了GPS定位,但是這裏有一個問題,廣義相對論非常完美,量子力學也非常的完美,但是目前沒有辦法把這兩個理論合併到一起,這兩個理論之所以很難統一,有一部分原因是它們是從完全不同的視角理解這個世界的。
量子力學——把空間看作平坦的背景,也就是空間不會彎曲。
廣義相對論——空間是動態的,有彈性的,它是一個事物。
再往深層講,相對論判斷引力是一種現象,是一種時空彎曲的現象,而量子理論看待任何的力都是空間中飛來飛去的小球造成的,那麼如果我們的宇宙中除了引力之外,所有的東西都是符合量子力學的,那引力也應該遵循同樣的規則呀,可惜的是直到目前為止,還沒有任何證據證明“引力子”是真實存在的,更大的問題是我們甚至沒法想象這兩套理論合二為一之後,量子理論它會變成什麼樣子。
量子物理學家先預測某種粒子的存在,然後通過實驗找到證實,比如説頂夸克和希格斯玻色子都是這樣被發現的,但是一旦物理學家想從數學的角度統一這兩個理論的時候,就從來沒有成功過,相反他們會拋出很多荒唐的結論,比如説“無窮大的量”。目前來説“弦理論”是最有希望統一相對論和量子物理的,但是目前弦理論”的進展還非常緩慢,而且還只是停留在理論階段,還沒有找到任何的證據。
引力還是有很多謎團的
當然關於引力的謎團不會永遠就這麼呆下去,總得做點更深入的研究,目前有一種方法是用實驗檢驗宇宙作用的規律,比如觀測兩個有質量的物體相互交換“引力子”,那就證明引力它必然是一種量子現象,那麼在宇宙中有沒有這樣的地方,它既符合廣義相對論對超大質量的描述,也符合量子力學對超小空間的描述的,還真有:
“引力波”——大質量的兩個黑洞在互相合並加速運動的時候,會使周圍的時空產生漣漪,這種時空的波動就叫做“引力波”,簡單來説運動的質量對空間產生了一定的擾動,這個擾動也會像波紋一樣傳播載去,當波經過的時候,沿着它路徑方向的每一個物體都會被拉伸和扭曲,一個圓會瞬間變成一個橢圓,一個正方形會變成一個長方形,但是這種變形也幾乎是不可能被觀測到的,“引力波”能引起的時空扭曲大概是原來物體尺寸的1/10^20,換句話説如果一條直線的長度是10光年,“引力波”效應只能讓直線縮短1毫米,那這個效果是很難測量的。
引力很特別,關於它為什麼這麼特別,目前對它還不是非常瞭解,也許引力本來就是特殊的,希望找到一個大一統理論,讓所有的“力”都遵循一個最基本的原則,但也許這個宇宙就是這樣規定的,沒有規定引力必須和其他作用力相似,也不一定非要用同一套理論來解釋所有的引力,對於宇宙大部分的原理都還不清楚,很多時候的假設會被推翻,或者某種理論只適用於某種特殊的情況。
也許引力和我們看到所有的東西本來就不一樣,可能它並不特殊,只是宇宙就是這樣來設定的,我們的目的是理解這個宇宙,我們也許應該避免先入為主的假設它應該是一個什麼樣子,目前存在着一種猜想,它用額外的維度來解釋引力為什麼這麼弱,引力的強度很弱,因為它被稀釋到了其他維度的空間裏,形成了一些我們看不見的微小的環路,如果把其他的維度也考慮進來的話,引力強度就會變得和強核力、弱核力,還有電磁力一樣的強。
揭開引力的神秘面紗,對於理解我們所在的宇宙非常重要,引力是唯一可以在宏觀尺度上發揮作用力,這意味着它是決定宇宙形狀和宇宙最終命運的關鍵作用力,我們也是通過對引力的研究發現了暗物質以及暗能量的,引力可以彎曲時空這一個事實也帶來很多讓人興奮的結果,因為光速的限制,我們很可能永遠沒法訪問太陽系以外的恆星系,因為它們之間的距離和我們航行的速度決定了人類的壽命是不足以讓我們走到那麼遠的地方去的。