作者：太空生物學(xué)·黃媂

引力,，是什么？

它能夠控制恒星的運(yùn)動(dòng),，它可以制造黑洞,，它可以讓蘋(píng)果掉下來(lái)，這些都是引力的功勞,，但是仔細(xì)想一想引力的本質(zhì)到底是什么,？

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(huì)發(fā)現(xiàn)引力是非常另類的,，首先最重要的就是引力和強(qiáng)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(diǎn)和怪異，如果站在量子力學(xué)的角度看待引力,，事情就變得更加怪異了,，目前為什么會(huì)對(duì)引力感到非常苦惱,？

因?yàn)?，理解世界萬(wàn)物的關(guān)鍵在于掌握其運(yùn)行模式到能夠探究宇宙最底層的運(yùn)行模式的時(shí)候，就可以用這個(gè)模式來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái),，物理學(xué)就是想通過(guò)模式來(lái)理解宇宙和宇宙中的物質(zhì),，這也是為什么物理學(xué)家會(huì)如此癡迷于尋找一個(gè)“大一統(tǒng)理論”的原因，但是引力的不合群是實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望非常大的一個(gè)阻礙,，現(xiàn)在就來(lái)說(shuō)說(shuō)“引力的怪異”,。

怪異的——引力

從最直觀的角度講，之所以能夠站在地球上而不會(huì)被地球射向太空,，原因就是因?yàn)橛小耙Α?，如果沒(méi)有引力，整個(gè)宇宙會(huì)變成一團(tuán)漆黑,，而且充滿塵埃和氣體的混沌體,，沒(méi)有恒星，也沒(méi)有星星,，就更不會(huì)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(duì)于其他三種基本作用力，它的強(qiáng)度大約是 1/10^36倍,，這么大的數(shù)字實(shí)際上我們已經(jīng)完全理解不了了,，不過(guò)可以粗略地這樣理解（整個(gè)宇宙中所有原子的數(shù)量大概是10^84個(gè)），那引力比其他力弱的倍數(shù)就是10^36,，從一個(gè)小實(shí)驗(yàn)就可以直觀地理解引力到底有多弱了,，實(shí)驗(yàn)如下：

隨便拿起一塊磁鐵吸住一顆直徑1CM的小鐵球，這個(gè)時(shí)候小小的一塊磁鐵給1CM小鐵球施加的電磁力,，對(duì)抗著整個(gè)地球?qū)?CM小鐵球的引力,。一塊小磁鐵就可以對(duì)抗整個(gè)行星的引力，可見(jiàn)引力比電磁力要弱多少,！

既然引力這么弱,，為什么它在我宇宙中這么重要，為什么不應(yīng)該把它忽略不計(jì)呢,？

從直觀的角度講,，如果一個(gè)東西比另外一個(gè)東西弱了10^36倍，那它就應(yīng)該被完全碾壓了,，不是嗎,？

答案是：在超大的尺度和超大質(zhì)量的情況下，引力就會(huì)變得非常重要,，在4種基本作用力中“強(qiáng)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(zhǎng)程力,，但它為什么不能成為主宰恒星和行星運(yùn)動(dòng)的作用力呢,，因?yàn)椤耙Α庇幸豁?xiàng)有趣的屬性，“引力”是單向作用力,，它只會(huì)使物體相互吸引,，而不會(huì)使它們相互排斥。

引力的大小和物體的質(zhì)量成正比,，而質(zhì)量不能是負(fù)的,，與之相反，“電磁力”擁有兩種類型的電荷（正電荷和負(fù)電荷）,，同樣,，“弱核力”和“強(qiáng)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(shù)值,，可以把質(zhì)量當(dāng)做粒子的引力荷（類似于電荷）,，它決定了這個(gè)粒子會(huì)受到多強(qiáng)的引力，但是在宇宙里質(zhì)量是不可以復(fù)制的,，所以引力不會(huì)使粒子相互排斥,，這一點(diǎn)就非常重要了，這意味著不同粒子之間的引力它們永遠(yuǎn)不能抵消,，而是會(huì)一直疊加下去,，在大尺度上電磁力是可以互相抵消的。

舉例說(shuō)明：

如果太陽(yáng)它只帶正電荷,，而地球上所有的東西都只帶負(fù)電荷,，那它們之間的電磁力就會(huì)非常的大,，這個(gè)大小會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)引力，但是從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來(lái)講，地球上所有的粒子正電荷和負(fù)電荷基本上數(shù)量各占一半,，太陽(yáng)差不多也是這樣的,，所以太陽(yáng)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(gè)力就互相抵消了,。

在強(qiáng)大電磁力的作用下,，電荷會(huì)被反復(fù)調(diào)整,，直到所有殘余的不平衡都會(huì)消失,，這個(gè)調(diào)整的過(guò)程大概在宇宙誕生40萬(wàn)年左右 就已經(jīng)完成了,，幾乎所有的宏觀物質(zhì)都以中性的形態(tài)存在,，電磁力也在星球內(nèi)部達(dá)到了平衡，所以很難在這個(gè)宇宙中找到一個(gè)自然形成的宏觀物體整體是帶正電的或者是帶負(fù)電的。

既然地球和太陽(yáng)之間的電磁力總體為0，強(qiáng)核力和弱核力又是短程力它們鉤不到,，那剩下的就只有引力了,，這就是引力在行星和恒星尺度上成為主導(dǎo)的原因,，其他的作用力都達(dá)到了平衡態(tài)，或者誰(shuí)也勾不到誰(shuí),，而引力只和兩個(gè)參數(shù)有關(guān),，就是兩個(gè)物體的質(zhì)量和它們之間的距離,，由于質(zhì)量不能為負(fù)，所以兩個(gè)物體之間的引力會(huì)隨著它們有質(zhì)量的粒子數(shù)的增加，而不停的增加,。

總結(jié)一下

引力，有兩個(gè)特性：

第1個(gè)特性：它和其他幾種基本作用力比起來(lái)非常的弱,。

第2個(gè)特性：其他的作用力是雙向的,，它們會(huì)根據(jù)物體的屬性彼此吸引或者彼此排斥，只有“引力”通通表現(xiàn)為互相吸引,。

這種明顯的不一致意味著它不符合現(xiàn)有的對(duì)宇宙認(rèn)知的模式,，或者還有什么重要的內(nèi)在邏輯我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn),，事實(shí)證明確實(shí)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(xué)解釋不了“引力”的本質(zhì)

目前的量子力學(xué)是作為同時(shí)解釋所有物質(zhì)粒子和三種基本作用力的一個(gè)最好的框架，在量子力學(xué)里所有的東西都可以用粒子來(lái)描述,，無(wú)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(dāng)一個(gè)電子推動(dòng)另外一個(gè)電子的時(shí)候，它并沒(méi)有使用某種看不見(jiàn)摸不到的力，或者是某種奇妙的心靈感應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)方,，這種相互作用來(lái)自于一個(gè)電子,，向另外一個(gè)電子傳遞出了某種粒子,，這種粒子可以轉(zhuǎn)移一部分的動(dòng)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(qiáng)相互作用下粒子之間交換的是“膠子”,，這個(gè)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型可以成功解釋非常多的自然現(xiàn)象,，用量子粒子的方式看待這個(gè)世界，在實(shí)驗(yàn)室中看到的現(xiàn)象都可以得到解釋,，也可以預(yù)言未來(lái)能看到的東西（還沒(méi)有找到的物質(zhì)粒子或者是“希格斯玻色子”）,。

量子力學(xué)甚至可以解釋弱核力為什么是短程力，因?yàn)榘徇\(yùn)這種力的粒子質(zhì)量很大,，這就限制了它們的運(yùn)動(dòng)距離,，然而標(biāo)準(zhǔn)模型有一個(gè)很大的問(wèn)題，用這個(gè)理論它不能很好的解釋引力,，也許你覺(jué)得科學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在,，已經(jīng)沒(méi)有什么解釋不了的東西了,，但是偏偏是最常見(jiàn)的“引力”，目前的量子力學(xué)解釋不了“引力”的本質(zhì),，根本的原因有兩個(gè)：

• 第1個(gè)：如果要把引力,，融入標(biāo)準(zhǔn)模型，那就需要一種粒子來(lái)傳遞引力——“引力子”,，如果有這種東西存在,，那就意味著你被引力吸引的時(shí)候，你身體里的每一個(gè)粒子和地球所有的粒子都在持續(xù)相互的傳遞著某種東西,，但問(wèn)題是從來(lái)沒(méi)有人觀測(cè)到“引力子”的存在,，所以這個(gè)理論也可能完全是錯(cuò)的。
• 第2個(gè)：就是已經(jīng)有了一個(gè)理論,，它可以很好的解釋引力,，這個(gè)理論就是愛(ài)因斯坦在1915年提出來(lái)的廣義相對(duì)論，它自身已經(jīng)非常完美了,，廣義相對(duì)論從一個(gè)全新的角度來(lái)詮釋引力,，愛(ài)因斯坦認(rèn)為“引力”不是兩個(gè)物體之間的相互作用，而是空間自身扭曲的結(jié)果,。

如果把空間想象成某種柔軟的流體,，而不是一個(gè)抽象的空的概念，引力就可以變得很簡(jiǎn)單了,，因?yàn)橘|(zhì)量或者能量的存在會(huì)彎曲它周圍的空間,，從而就改變物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，在這個(gè)理論里引力它不是一種力,，而是時(shí)空彎曲的一種表象,，，在這里面物質(zhì)和空間之間它們是不存在某種力的,，廣義相對(duì)論認(rèn)為地球之所以圍繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)而沒(méi)有飛向遙遠(yuǎn)的太空,，并不是因?yàn)榈厍虮荒撤N力困在了太陽(yáng)的軌道上，圍著太陽(yáng)轉(zhuǎn)是因?yàn)樘?yáng)周圍的空間以某種方式彎曲了,，地球在這個(gè)彎曲的空間里，以為自己是沿著一條直線運(yùn)動(dòng)的,，實(shí)際上它是沿著一個(gè)橢圓來(lái)運(yùn)動(dòng)的,。最常規(guī)的一個(gè)比喻就是，把空間想象成一個(gè)有彈力的彈跳床,，當(dāng)你把太陽(yáng)放在上面的時(shí)候,，彈跳床會(huì)整體的向下凹陷，然后你在上面彈動(dòng)一個(gè)小球,，這個(gè)小球本來(lái)是沿直線運(yùn)動(dòng)的,，但是當(dāng)它來(lái)到太陽(yáng)周圍的時(shí)候,，因?yàn)榭臻g本身也就是彈跳床它被彎曲了，這個(gè)小球也會(huì)呈一個(gè)彎曲的弧線來(lái)做運(yùn)動(dòng),，但這個(gè)過(guò)程中并沒(méi)有某種力拽著這個(gè)小球讓它繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng),，當(dāng)然這只是一個(gè)直觀的比喻，實(shí)際上真實(shí)的情況是用數(shù)學(xué)來(lái)描述的,。

這樣一來(lái),，引力質(zhì)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(gè)物體可以多大程度的彎曲它周圍的空間,，盡管這個(gè)說(shuō)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,。

目前沒(méi)有辦法把“廣義相對(duì)論/量子力學(xué)”兩個(gè)理論合并到一起

相對(duì)論,，是一個(gè)非常偉大的理論，它預(yù)言了黑洞的存在,，解釋了天體運(yùn)轉(zhuǎn)的道理,，還為我們提供了GPS定位，但是這里有一個(gè)問(wèn)題,，廣義相對(duì)論非常完美,，量子力學(xué)也非常的完美，但是目前沒(méi)有辦法把這兩個(gè)理論合并到一起,，這兩個(gè)理論之所以很難統(tǒng)一,，有一部分原因是它們是從完全不同的視角理解這個(gè)世界的。

量子力學(xué)——把空間看作平坦的背景,，也就是空間不會(huì)彎曲,。

廣義相對(duì)論——空間是動(dòng)態(tài)的，有彈性的,，它是一個(gè)事物,。

再往深層講，相對(duì)論判斷引力是一種現(xiàn)象,，是一種時(shí)空彎曲的現(xiàn)象,，而量子理論看待任何的力都是空間中飛來(lái)飛去的小球造成的，那么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(xué)的,，那引力也應(yīng)該遵循同樣的規(guī)則呀，可惜的是直到目前為止,，還沒(méi)有任何證據(jù)證明“引力子”是真實(shí)存在的,，更大的問(wèn)題是我們甚至沒(méi)法想象這兩套理論合二為一之后，量子理論它會(huì)變成什么樣子,。

量子物理學(xué)家先預(yù)測(cè)某種粒子的存在,，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到證實(shí),，比如說(shuō)頂夸克和希格斯玻色子都是這樣被發(fā)現(xiàn)的，但是一旦物理學(xué)家想從數(shù)學(xué)的角度統(tǒng)一這兩個(gè)理論的時(shí)候,，就從來(lái)沒(méi)有成功過(guò),，相反他們會(huì)拋出很多荒唐的結(jié)論，比如說(shuō)“無(wú)窮大的量”,。目前來(lái)說(shuō)“弦理論”是最有希望統(tǒng)一相對(duì)論和量子物理的,，但是目前弦理論”的進(jìn)展還非常緩慢，而且還只是停留在理論階段,，還沒(méi)有找到任何的證據(jù),。

引力還是有很多謎團(tuán)的

當(dāng)然關(guān)于引力的謎團(tuán)不會(huì)永遠(yuǎn)就這么呆下去，總得做點(diǎn)更深入的研究,，目前有一種方法是用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)宇宙作用的規(guī)律,，比如觀測(cè)兩個(gè)有質(zhì)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(xiàn)象,，那么在宇宙中有沒(méi)有這樣的地方,，它既符合廣義相對(duì)論對(duì)超大質(zhì)量的描述，也符合量子力學(xué)對(duì)超小空間的描述的,，還真有：

• 一個(gè)就是黑洞的內(nèi)部,，另一個(gè)就是宇宙大爆炸的起點(diǎn)，那這兩個(gè)場(chǎng)景研究起來(lái)都非常的困難,，黑洞可以進(jìn)去,，但是進(jìn)去就出不來(lái)了，宇宙大爆炸的起點(diǎn),，又離我們非常遙遠(yuǎn),，你可能也經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)科學(xué)已經(jīng)研究到宇宙大爆炸剛開(kāi)始的10的負(fù)多少次方秒了，人們?yōu)槭裁催@么較真,，一定要無(wú)限的逼近宇宙大爆炸的那個(gè)起點(diǎn)呢,，這就是因?yàn)橐ㄟ^(guò)對(duì)它的研究來(lái)嘗試統(tǒng)一量子物理學(xué)和相對(duì)論。
• 另外一個(gè)比較有可能觀測(cè)到的東西就是黑洞的碰撞,，讓兩個(gè)超大質(zhì)量的黑洞相互碰撞,，這就是在量子層面探測(cè)引力所需要的，正在碰撞的黑洞,，當(dāng)兩個(gè)黑洞彼此靠近的時(shí)候,，雙方都想要吞噬對(duì)方，它們會(huì)彼此旋轉(zhuǎn),，越轉(zhuǎn)越快進(jìn)入一個(gè)死亡的螺旋，在這個(gè)合并的過(guò)程中可能會(huì)有“引粒子”向四面八方發(fā)射,，黑洞碰撞即便產(chǎn)生了“引粒子”也很難被發(fā)現(xiàn)的,，引力非常的微弱,，所以即便有一個(gè)引力子在我們身邊飛過(guò)，我們也幾乎察覺(jué)不到它,。

• 在黑洞內(nèi)部存在一個(gè)叫做“奇點(diǎn)”的地方,，在那個(gè)點(diǎn)上物質(zhì)的質(zhì)量密度非常的高，引力場(chǎng)的強(qiáng)度趨近于無(wú)窮大,，時(shí)空也會(huì)彎曲成根本沒(méi)法想象的形態(tài),，廣義相對(duì)論認(rèn)為這種“奇點(diǎn)”是可以存在的，但是量子理論不這樣認(rèn)為,，根據(jù)量子理論的基本原理,，物體它不可能小到只有一個(gè)孤立的點(diǎn)，因?yàn)樵诹孔永碚撝?，?dāng)一個(gè)空間變得非常小的時(shí)候,，它的不確定性就會(huì)變得非常的大，所以在這種情況下,，兩種理論肯定有一個(gè)是錯(cuò)的,，如果能知道黑洞內(nèi)部它到底是什么樣子，就能得到一個(gè)非常重要的線索,，從而理解量子力學(xué)和引力是怎樣相互作用的,，當(dāng)然這個(gè)設(shè)想實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度是很高的。

“引力波”——大質(zhì)量的兩個(gè)黑洞在互相合并加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,，會(huì)使周圍的時(shí)空產(chǎn)生漣漪,，這種時(shí)空的波動(dòng)就叫做“引力波”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量對(duì)空間產(chǎn)生了一定的擾動(dòng),，這個(gè)擾動(dòng)也會(huì)像波紋一樣傳播載去,，當(dāng)波經(jīng)過(guò)的時(shí)候，沿著它路徑方向的每一個(gè)物體都會(huì)被拉伸和扭曲,，一個(gè)圓會(huì)瞬間變成一個(gè)橢圓,，一個(gè)正方形會(huì)變成一個(gè)長(zhǎng)方形，但是這種變形也幾乎是不可能被觀測(cè)到的,，“引力波”能引起的時(shí)空扭曲大概是原來(lái)物體尺寸的1/10^20,，換句話說(shuō)如果一條直線的長(zhǎng)度是10光年，“引力波”效應(yīng)只能讓直線縮短1毫米,，那這個(gè)效果是很難測(cè)量的,。

黃媂·結(jié)語(yǔ)

引力很特別，關(guān)于它為什么這么特別,，目前對(duì)它還不是非常了解,，也許引力本來(lái)就是特殊的，希望找到一個(gè)大一統(tǒng)理論,，讓所有的“力”都遵循一個(gè)最基本的原則,，但也許這個(gè)宇宙就是這樣規(guī)定的,，沒(méi)有規(guī)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(lái)解釋所有的引力,，對(duì)于宇宙大部分的原理都還不清楚,，很多時(shí)候的假設(shè)會(huì)被推翻，或者某種理論只適用于某種特殊的情況,。

也許引力和我們看到所有的東西本來(lái)就不一樣,，可能它并不特殊，只是宇宙就是這樣來(lái)設(shè)定的,，我們的目的是理解這個(gè)宇宙,，我們也許應(yīng)該避免先入為主的假設(shè)它應(yīng)該是一個(gè)什么樣子，目前存在著一種猜想,，它用額外的維度來(lái)解釋引力為什么這么弱,，引力的強(qiáng)度很弱，因?yàn)樗幌♂尩搅似渌S度的空間里,，形成了一些我們看不見(jiàn)的微小的環(huán)路,，如果把其他的維度也考慮進(jìn)來(lái)的話，引力強(qiáng)度就會(huì)變得和強(qiáng)核力,、弱核力,，還有電磁力一樣的強(qiáng)。

揭開(kāi)引力的神秘面紗,，對(duì)于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(fā)揮作用力，這意味著它是決定宇宙形狀和宇宙最終命運(yùn)的關(guān)鍵作用力,，我們也是通過(guò)對(duì)引力的研究發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)以及暗能量的,，引力可以彎曲時(shí)空這一個(gè)事實(shí)也帶來(lái)很多讓人興奮的結(jié)果，因?yàn)楣馑俚南拗?，我們很可能永遠(yuǎn)沒(méi)法訪問(wèn)太陽(yáng)系以外的恒星系,，因?yàn)樗鼈冎g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么遠(yuǎn)的地方去的。