引力產生的本質,到底是「引力子」還是空間的彎曲?

2020-12-18 優美生態環境保衛者

科學家們在長時間的觀測和研究論證的過程中,逐漸將反映宇宙中物質變化和相互作用的影響因素,歸結為4種基本作用力的功勞,即萬有引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力,這4種基本作用力可以說是維持宇宙萬物運行的秩序規則,並非只有引力一種。

對於電磁力來說,這是宇宙中大部分物質所具有的一種作用力,它廣泛存在於微觀領域,是使原子核與核外電子結合在一起的重要力量,其主要表現模式為電與磁的交互作用。由於從本質上來看,無論是摩擦力、還是光線,都屬於電磁力作用的範疇,因此電磁力是我們觀察和認知這個世界最重要的媒介。

對於強相互作用力來說,又被稱為強核力。原子中質子帶正電荷、電子帶負電荷,而中子不帶電荷,這就需要在原子核中,有一個力維持著質子和中子的結合,使它們能夠牢固地聚集在一起,而強核力就提供了這樣一種功能。強核力是4種基本作用力中作用最強,但力程最短的一種力。

對於弱相互作用力來說,又被稱為弱核力。它有效保障了原子核外的電子不會在異性電荷相吸的作用下而墜入原子核內,同時又可以通過調控原子核內的質子狀態,比如將上夸克演變為下夸克即質子變為中子,或者將下夸克演變了上夸克即中子變為質子,達到穩定原子核結構的目的,而推動這種演變的驅動力就是弱相互作用力,這種力的作用雖然較弱,但仍比引力要強一些。

對於引力來說,這是我們日常生活中接觸也非常多的一種作用力,它表現在兩個有質量的物體之間有相互吸引的趨勢,這個在宏大的天體之間表現得比較突出,引力的大小與質量成正比,與距離成反比。引力是4種基本作用力中最弱的一員,同時卻是力程最遠的一個存在。

在發現4種基本的作用力之後,科學界有一個非常活躍的領域,那就是想方設法對這4種基本作用力進行統一,力圖想用統一的模型將這4種力進行「融合」,這就是大統一理論的形成背景。截至目前,科學家們已經將強核力、弱核力和電磁力已經被實驗證實可以統一成同一種相互作用,但是引力似乎非常特立獨行,仍然沒有與其它作用力進行統一的證據存在。

對於引力來說,這也是眾多不同領域的科學家在很早以前就發現存在的一種力作用形式。比如,亞歷士多德建立了一套不同質量的物體是以不同的速度下落的理論;伽利略推翻了他的結論,認為在忽略空氣阻力的情況下,所有物體在下落時的規律相同;牛頓在發現地心引力之後進一步拓展形成萬有引力定律,以數學公式的形式表達出物體之間引力的對應關係;之後愛因斯坦在狹義相對論的基礎上,提出了廣義相對論,對引力產生的原因進行了闡述,即有質量的物體對周圍空間的曲率產生影響,使時空產生彎曲,其它物體則沿著彎曲後的曲線(測地線)作著最短路程的運動。

按照統一場的理論,4種基本作用力之所以能夠形成並發揮作用,原因在於它們周圍空間存在著對應的場,而這4種力場及4種作用力,都是由於在相對應的空間中物體的運動所引發的。對於目前還沒有被統一場「融合」的引力,其究竟是何原因所產生,有兩種主要的解釋理論,其中第一個是試圖利用粒子物理標準模型,因為其它3種力都已經找到了相對應的基本粒子,比如電磁力通過光子傳遞,強核力通過膠子傳遞,弱核力通過W和Z玻色子傳遞,因此就假設在引力場中,通過「引力子」的存在來傳遞引力的作用,而這個「引力子」屬於玻色子,質量為零,運動速度為光速。但是經過這麼多年的監測努力,「引力子」都沒有找到它存在的任何證據。

廣義相對論認為,如果宇宙空間中不存在物質,那麼空間將是完全平坦的,可以用歐氏幾何描述,而如果存在物質,那麼物質就會使時空發生彎曲,就得用非歐幾何進行描述,當然宇宙中是不可能不存在物質的。愛因斯坦的廣義相對論,提出了引力產生的更深層次的原因,即時空的扭曲,並且已經被諸多實驗來驗證出空間扭曲和光線偏折的正確性,因此從目前來看,廣義相對論是對引力的產生根源的主流觀點,通過廣義相對論,愛因斯坦預測了黑洞和引力波的存在,後來都被科學家們所證實。

但是,我們仍然要看到,廣義相對論的時空扭曲,也是建立在質量基礎之上,這與萬有引力「同出一轍」,而針對質量為何會產生時空的扭曲,即這種質量效應產生的再深層次根源方面還無法進行論證,因此,即使廣義相對論取得了巨大成績,但與量子力學還是不相容,引力和電磁力相互統一的目標,始終像有一道鴻溝難以逾越一樣。因此,如何實現引力量子化,將是統一4種基本作用力、從更深層次解釋引力本質的終極目標,這將是科學家們下一步努力的方向。

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  • 引力是如何產生的,人類能夠解釋引力嗎?
    引力其實是一個非常神秘的基本力,因為引力實在是太小了,我們每天從桌子上拿起手機,就能夠輕輕鬆鬆對抗整個地球產生的引力。而引力也是當今物理學非常難以統一的力,量子力學甚至到現在都無法解釋引力為何存在。
  • 引力極其強大,但又極其弱小,其本質究竟是什麼?
    正如強、弱核力和電磁力的介質粒子膠子、 W和 Z玻色子和光子一樣,人們也希望能找到引力介質粒子,並將這類粒子預先命名為引力子,只可惜事與願違,至今仍未發現引力子的蛛絲馬跡。重力是一種非常強大的力量,它在宇宙中隨處可見,小到一塊石頭,大到宇宙中的物體,沒有一塊沒有重力的物體,我們的地球能穩定地繞著太陽運轉,也是託著重力的福。
  • 地球的引力突然消失,會產生什麼樣的影響,引力的本質是什麼?
    哈嘍,大家好,歡迎來到《達叔說天文》,今天跟大家聊聊神奇的引力,並說下自己對引力一些微博見解。世界上的力一共分為4種,它們分別是引力、電磁力、弱力和強力。引力產生於任何有質量的物體,大到宇宙天體,小到基本粒子都存在引力。
  • 宇宙引力的秘密:引力子是如何逃出黑洞的?
    如果說光子攜帶電磁力,引力子攜帶萬有引力,而光子和引力子都無法逃逸黑洞,那麼,如何感知黑洞引力井的梯度引力呢?如果巨大黑洞中的信息永遠丟失了,又如何得知物質是怎樣強烈地被吸入黑洞的?這些問題已經困擾我19年了。
  • 引力到底是什麼,可能它並不是力
    是我們出錯了,還是牛頓力學出錯了。水星進動問題困擾了學界一、兩百年。直到另一位科學巨匠愛因斯坦橫空出世。他的相對論成功地解釋了水星進動問題。在愛因斯坦的相對論中引力並不是一種「力」,而是一種時空彎曲的現象。大質量的天體把時空壓彎曲了,周圍的天體在這彎曲的時空裡運動,就像大天體拉著小天體轉動。想想在一張彈簧床上放一個大質量的鉛球。
  • 力的本質是什麼?
    它的作用範圍也十分短,是第二短的作用力,只有約為10∧-15 m ,只能在原子核內部產生作用。強相互作用力是由膠子傳遞的。弱相互作用力是引起亞原子粒子(比原子還小的粒子,如:質子、中子等)發生衰變的作用力。它的作用範圍是最短的。弱相互作用力是由W及Z玻色子的交換(即發射及吸收)所引起的。只有它不會產生束縛力。「弱」是指它比相互作用力和電磁力低幾個數量級。
  • 引力是什麼?引力真的存在嗎?
    但有趣的是,愛因斯坦曾經提出過著名的廣義相對論,他認為引力並不存在,實際上那是時空的彎曲。那問題就來了,同樣都是物理學的大神,如果要給物理學家排個序,這兩位絕對是佔據前二的。大神的觀點不同,那到底應該聽誰的?實際上,我們可以說兩個人都對了,或者說兩個人都錯了。
  • 引力的本質是什麼?
    引力的本質是什麼?宇宙中有四大基本力,強核力、弱核力、電磁力、以及萬有引力。萬有引力也是四種力中最弱的一種力,關於這些力的本質曾困擾了幾代的科學家,幸運的是關於這些力的本質已經有了基本統一的解釋,為何會產生引力,月球為什麼會繞著地球旋轉?讓我們一起去解答一下這個問題吧!
  • 為什麼質量會彎曲空間,空間中究竟是什麼被彎曲了?
    地球這樣的大質量物體之所以有引力,是因為物質是能量的集中,因此E=mc。但請注意,一個無質量的光子也會引起引力,就像任何一種能量一樣。此外,這種能量實際上不會使周圍的空間彎曲。它只是使空間不均勻。1920年,愛因斯坦提到:「這種時空變異性的相互關係是時空標準的相互關係,『空的空間』在物理關係上既不是均勻的也不是各向同性,這一事實迫使我們用十個函數來描述它的狀態。我認為,這最終改變了空間是空的觀點。」這個非均勻空間被建模為彎曲時空,非均勻真空是彎曲時空的另一種解釋。我們說時空是彎曲的,但並不認為空間本身是彎曲的。我們提到的空間彎曲,不是空間的曲率,而是時空的曲率。
  • 三大基本力都被統一,只剩下引力沒有,它的本質是什麼?
    引力是物理學中的四大基本力之一,另外三個是強力、弱力和電磁力。後面三種已經統一,唯獨引力格格不入,沒有參與到統一的進程中。要知道,發現大一統理論最有可能的方法就是統一四大基本力。統一了它們,就有可能發現各種物理現象深層的規律,推動大一統理論誕生。
  • 把引力融合到量子力學中,這就是大一統理論,但必須先找到引力子
    在一開始,大一統理論的實現似乎並沒有現在這樣複雜,因為開始的時候人們並沒有發現強核力和弱核力,大家想的只是要把引力和電磁力相統一。而在引力和電磁力之中,最早被人類所發現的就是引力,而發現引力的人就是牛頓,而牛頓之所以能夠發現引力與科學家們力爭要發現大一統理論還存在著一定的關係。
  • 引力——讓我們腳踏實地的力量到底是什麼?
    不用說,在現實生活中引力並不像這樣起作用。但當一個巨石或鐵砧墜落到地面上時會發生什麼?讓我們從你的腳開始,一路研究到,哦,整個宇宙。取一把椅子來,因為這一時半會兒解釋不清。地球引力場中的引力探測器B引力把你的腳固定在地面上,因為行星的質量對你身體的質量產生引力。事實上,可以這麼說,在宇宙中的任何兩個物體之間都會產生一種吸引力:月亮、塵埃、威利狼。
  • 引力和電磁力,與人類生活密切相關的兩種力
    沒有地球的引力拉扯束縛著我們,我們將會因失重而飄浮起來,地球上也不會有大氣和海洋。沒有引力,月球將不會繞著地球轉,地球也不會繞著太陽轉,宇宙將會亂套。引力是什麼?引力是如何產生的?引力有哪些性質?別著急,下面咱們來接著介紹。擁有質量的物體之間存在相互吸引靠近的趨勢,這就是引力。
  • 為解釋暗能量,有必要修改廣義相對論的引力理論嗎?
    圖註:在破譯暗能量本質的宇宙謎題時,我們將更好地了解宇宙的命運。雖然你可以在廣義相對論的背景下解釋暗能量,但最近嘗試通過改變引力來解釋暗能量已經成為一種時尚。(特別是,對於強相互作用)即使在空白空間,這種真空能量也是非零的,從空間曲率不同的觀察者的角度來看,彎曲空間中一個區域的「基態」看起來也不同。只要量子場存在,真空能(或宇宙常數)也必須存在。這是解釋暗能量最簡單、最保守的方法:這僅僅是由於空間本身的性質。
  • 四種作用力中最弱的引力,為何能坍縮出宇宙無敵的黑洞?
    電磁相互作用力帶電荷的粒子都會受到電磁力的影響,小到磁鐵大到地球,概莫能外,我們之所以能碰到物體,站在地上,而不會因為原子內部的巨大空間而「陷進去」,就是因為電磁力的原因,它讓人類能「觸摸」到這個世界。
  • 能讓時空彎曲的不僅是質量,還有速度,時間膨脹效應與廣義相對論
    時間和空間與宇宙一同產生,且是客觀存在的。人們經常會懷疑時間的存在,但其實這是一件沒有什麼好爭辯的事情,當你明白了時間和空間的本質,就會知道這二者並不是獨立存在的個體。我們習慣於把時間和空間作為兩個事物分開來說,可在物理學上,時間和空間是一個整體,並稱為時空,時空才是它們真正的名字。時間與空間密不可分,二者只能同時存在或同時不存在,所以時間和空間都是客觀存在於宇宙之中的。不過,無論是時間還是空間,並不是永遠穩定而平緩的,它們會因為引力的作用而發生彎曲。
  • 為什麼愛因斯坦會說引力作用並不影響存在?引力的本質是什麼?
    引力在物理學中有多重要? 今天,結合量子探索,深入重力的故事,探索四種基本力之一的「重力。在太空中,太空人進入「失重」狀態,無法控制自己的行動,這給生命帶來了許多困難,但在地球上,由於重力的限制,一切都變得非常有規律,所以重力幾乎無處不在,在我們的日常生活中,你必須無處不在地思考它,人們普遍認為重力導致物體產生重量,但事實並非如此,重力是由重量產生的。