宇宙中各種力的劃分,溯根追源,分為最基本的四種力,分別強力、弱力、電磁力以及引力。可以這麼說,就是這四種力控制著這個世界的一切變化。
在這四種基本力中,最神奇也是最難統一的就是引力。目前在四大基本力的統一理論中,量子電動力學中(QED)已經統一了三種,幾乎把宇宙中所有的力都統一了,就除了萬有引力。
自從蘋果把牛頓砸了以後,萬有引力就被發現了,任何兩個有品質的物體,它們之間都會存在引力。引力的大小與兩個物體品質成正比,與它們之間距離的平方成反比,萬有引力的公式如下:
說句題外話,我一起很好奇,數學上的平方或者開根號,是怎麼開自然實體聯絡一起的,自然竟然會遵循平方關係,不可思議。當然,我們還是返回主題,萬有引力是怎麼產生的?這個問題,是發現它的牛頓先生一生的遺憾,牛頓也沒辦法解釋它是怎麼來的。甚至在提出三大力學定理後,牛頓尋找根源力不得,提出第一把力來源於上帝的說法。
萬有引力概念被提出來,並且可以用於解釋天體運動,一切都是那麼完美的符合。但是有一個問題一直困惑著牛頓和科學界,引力到底是通過什麼傳播的呢?要知道,力的傳播必須是有介質的,我們在地球上拿起杯子,是手傳播力;輪船在海里面隨海浪顛簸,是海水在傳遞力;大風颳動樹木搖晃,是空氣傳播力。而在宇宙中相隔很遠的天體,它們之間相隔的是真空,而真空是不能傳遞力的,它們之間的引力是怎麼傳遞的?為了“解釋”這種現象,一種叫做“以太”的物質就被提了出來,它們被認為充滿了整個宇宙,萬有引力是靠“以太”傳播的。
科學家們費盡心思滿宇宙去找“以太”,可惜沒有找到任何存在的證據,邁克耳遜-莫雷實驗徹底的否定了“以太”的存在後,因此這個問題又變成了無解之謎。
時間到了愛因斯坦的時代,愛因斯坦腦洞大開,在相對論中,愛因斯坦認為萬有引力並不是一種力,而是時空彎曲導致的結果。他認為世界所有的物體都處於一個時空之中,有品質的物體,會在這個時空上產生扭曲。如同一張繃緊的床單,在上面放東西,都會使得床單凹下去一點,凹下去的幅度與品質大小相關。物體在時空產生的扭曲,與此原理有點類似。
品質大的天體對時空產生的彎曲幅度比品質小天體的大,一旦時空被彎曲,原來天體在時空中固有的執行線路也被彎曲,那麼它們就會彼此靠近。它們按照原來的執行規律,在彎曲後時空的繼續執行。時空彎曲可以這麼理解,物體不是在引力迫使下在“平直”時空中運動,而是沿著彎曲時空的恆值線自由地行進。
由於品質小的天體自身也會對時空產生彎曲,並且本身已經處於運動中,品質小的天體靠近大天體時候,會環繞大天體形成自己的時空軌道。如果用一個形象的比喻,好比一個繃緊的布條,一個大物體產生一個凹陷,拉著品質小的物體向它靠近。但是由於品質小的物體也會在繃緊布條上產生凹陷,如果品質小的物體產生凹陷的陡度比品質大物體產生凹陷的陡度大,它就不會撞到大物體上。由於小品質物體產生的凹陷處於大物體產生的凹陷之中,所以它也不能往外滑去。在三維的角度看,就是品質小的天體圍繞品質大的天體執行,既不會相撞,也擺脫不了。
或品質與密度和體積都相關,品質大但是密度小的物體,或許在時空產生的彎曲(我們可以形象的想象為凹陷)範圍大,但是這個凹陷的陡度不大。而品質小,密度大的物體,產生彎曲凹陷的範圍小,但是陡度很大。所以在三維巨集觀上,就好像是有一股無形的“引力”牽引著它們。當然,並不是絕對是因為密度關係,影響時空凹陷的陡度,還存在其他因素,時空凹陷畢竟不是繃緊布條上的凹陷。
愛因斯坦的時空彎曲理論,腦洞開得很大,很不可思議,甚至很多不能理解的人都在質疑。但是廣義相對論的預言一一被驗證,以及各種科學發現,比如水星近日點進動解釋,遙遠星光經過太陽時發生偏折——引力透鏡,時空漣漪——引力波的發現,黑洞的發現,引力紅移、鐘慢效應等,均證實相對論是正確的。因此,引力就是時空彎曲的結果已經得到科學界的認可。本質上,引力屬於時空的一種性質。
當然,引力就是時空彎曲或許只是在某個範圍是對的,未必適用所有區域。如同牛頓的力學定理在低速物體時候是正確的,但是在高速物體上,它就不適用了,但並不妨礙它的偉大,更不妨礙它推動人類科技的進步。
現代物理理論的框架已經建立100多年了,但是目前仍在其框架設定內發展,沒有突破。或許,隨著各種疑問越來越多,就是舊理論被超越的時候。期待著科學探索的進一步發現,也正是各種疑問,促使著科學的不斷向前。