萬有引力的本質到底是什麼?

其實關於“引力”的相關理論還是蠻多的,其中我們常用的是牛頓的萬有引力定律,而對於“引力本質”的解釋,目前來看,主流理論是愛因斯坦的廣義相對論。

不過,對於引力的探討其實從科學的發源地古希臘時代就開始了,當時的大學者亞里士多德認為,重的東西就會落到地面上的趨勢,而輕的東西就有往天空中飄的趨勢。具體來說,當時的人認為萬物是由水火土氣構成的,其實水和土是有往地面的下落的趨勢,而火和氣是有往天上飄的趨勢。而月亮下面有一套這樣的規則,月亮往上的天空是由不同的規則,並且是由一種叫做“以太”的東西構成。這就是古希臘時代對於引力現象的一種解釋。

萬有引力的本質到底是什麼?

不過,到了牛頓時代,牛頓可不這麼看,如果非要用一句話概括牛頓幹了啥,那就是,他統一了天上和地下的物理學。他認為物質之間都有相互吸引的趨勢,只是引力比較小。我舉個例子,如果你拿磁鐵吸引曲別針,一下子就吸起來,這說明什麼?

一塊磁鐵對於曲別針的吸引力就比地球對於曲別針的引力要大。所以,引力只有在大質量的情況下,才會明顯感覺到。並且,牛頓給出了和引力有關的表達,他認為引力和質量成正比,與距離的平方成反比。

萬有引力的本質到底是什麼?

如果你注意看公式離得距離的平方,其實能夠大概意識到,引力是和空間有關的。而其實牛頓也假設了空間應該有的樣子,大概的意思是說,空間和時間是相互獨立的,並且是剛性的。說白了,就是你的一釐米,和我的一釐米是一樣的,無論你是不是在運動,我是不是在運動,也和參考物件沒有關係。同理,你的一秒鐘和我的一秒鐘也是一樣的。

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那如果你要問牛頓,那引力到底是啥?他可能會回答,引力是一種超距作用,意思是,引力是實時的,如果太陽消失了,地球就立馬從軌道上沿著切線方向飛出去。如果你再繼續追問他,為什麼是這樣?他肯定會很無奈地說,這個問題要留給後人了。

事實上,也確實是後人,在牛頓之後150年左右,愛因斯坦提出了相對論,解釋了引力的本質,這也是目前主流的看法。同樣如果非要用一句話概括愛因斯坦到底做了啥,我認為可以這麼概括,愛因斯坦統一了“時間”和“空間”,認為他們不是相互獨立的物理量,而應該合起來考慮,也就是所謂的“時空”。(當然,他還統一了物質和能量,也就是著名的質能方程。)

在愛因斯坦的體系中,時間和空間選取的參考系不同,是有可能不同的,也就是說時空是可以彎曲的,這和牛頓認為的時空是平直的是相互矛盾的。其次,他還提出光速是時空的特殊屬性。

萬有引力的本質到底是什麼?

緊接著,透過這個邏輯,愛因斯坦解釋了引力,他認為引力是由於時空的彎曲所導致的。不過,其實愛因斯坦是在三維時空座標系中完成的理論建構,這裡涉及到黎曼幾何,我們不過多闡述。

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我們接下來拿二維時空來解釋,就拿地球繞著太陽轉來說,太陽的質量會壓彎周圍的時空,就好比有個柔軟的床墊,你拿一個柚子放上面,那床墊就會向下凹陷,而地球呢?其實就好比柚子周圍的一顆小彈珠(實際上會比這個彈珠小得多的多),它因為有個初速度,所以會繞著周圍完全的床墊做圓周運動,而這個床墊就是時空。地球其實只是在沿著時空的測地線運動而已。

萬有引力的本質到底是什麼?

這也就是現在對於引力本質的主流解釋。除了愛因斯坦的廣義相對論,其實還有其他關於引力的解釋。常常被人提起的其實是“引力子”,具體來說是這樣的,在宇宙中,目前我們發現了四種基本作用力,分別是引力、電磁力、強相互作用力,弱相互作用力。

萬有引力的本質到底是什麼?

在上世紀50年代到70年代,一群科學家,諸如楊振寧和米爾斯提出的楊米爾斯理論,希格斯等人提出的希格斯機制,蓋爾曼等人提出的夸克模型,溫伯格等人提出的弱電統一理論,最終把電磁力,強相互作用力,弱相互作用力透過粒子物理標準模型統一了起來。

萬有引力的本質到底是什麼?

但唯獨“引力”一直無法納入到模型當中,科學家當然也想把引力也納入到當中去。就提出了“引力子”的概念。但是科學理論到底靠不靠譜,不是憑藉腦洞的,拼的其實是實驗,牛頓的萬有引力定律之所以敗給愛因斯坦的廣義相對論,就在於實驗誤差更大,而引力子的理論,在小尺度上誤差還算可以接受,到了大尺度,就大到非常離譜,這是一個很重要的原因。其次,我們透過實驗一直都未能找到引力子。因此,引力子目前還不能成為一個合格的解釋引力的理論。

最後,我們來總結一下,關於引力的理論,其實有很多,比如:牛頓的萬有引力定律,愛因斯坦的廣義相對論,以及“引力子”理論。不過,按照目前的實驗和觀測結果來看,愛因斯坦的廣義相對論是主流理論,這個理論認為引力的本質是時空的彎曲。

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