重力是我們存在於地球的根本 如何產生的?

2020-12-20 快科技

愛因斯坦成長在十九世紀晚期,當時正值電力時代初來乍到,電力點亮了城市,催生出各式各樣著名物理學家牛頓永遠也無法想像的科技,這些發展攸關於一個愛因斯坦從小就很著迷的東西:光。這裡所說的光不是在說燈泡或是街燈而是光的本質。愛因斯坦執迷於其中一種尤其奇怪的特性,光的速度,這將帶領愛因斯坦推翻牛對對於空間的看法。

想像一下,我們都坐過車,當我們坐車以時速20公裡前行,若想要更快,司機只需要踩油門,車速就會跟著改變,你能感覺得到速速有變化,但你看車上的時速表也能知道,或是路上的雷達測速顯示牌。但再試想一下,現在不是測試車的速度,而是雷達測速顯示牌測量車頭燈發出光線的速度,顯示牌所測得的光速將是驚人的每小時十億八千萬公裡。你會以為當車開始啟動,光速會相應隨著汽車速度而增加,你會以為移動中的車會帶給光線額外的推力,但其實竟然不是這樣,雷達測速顯示牌,又或其他測量光速的裝置測量到的都會是時速30萬公裡,不管車有沒有在動都一樣。

但為什麼會這樣呢?怎麼可能無論在什麼狀態下測量光速,結果都是一樣的呢?愛因斯坦澄清這個謎題的方法是知道速度只是在測量某物在一段時間內移動的空間,愛因斯坦提出了當時驚人的概念,就是空間和時間可以共同合作,持續調整出確切的量,所以不管你在測量光速時移動多塊,光速永遠都是時速十億八千萬公裡。

為了尊重光的絕對值,時間就不能是絕對的,同樣空間也不能使絕對的,這兩者得要變成相對的。如果空間和時間有彈性,聽來不熟悉,也只是因為我們在日常生活中沒有移動得快到能看出究竟,但如果你剛才坐的車能以接近光速移動,其中的效果將不再是隱藏的。

比如說我站在街頭,而你以逼近光速接近,我就會看到空間在調整,所以你的車會變得幾乎只有幾寸長,我也會聽到你的手錶秒針跳得很慢。但對於坐在車裡的你來說,你的手錶秒針跳動正常,而車裡的空間也會和平時一樣。但是當你向車外看,會看到空間正在猛烈調整,這一切都是為了維持光速這個常數。

所以對愛因斯坦來說,時間和空間不再是固定而絕對的,反倒會因為運動而融合在一起,形成一個單一的實體,稱之為「時空」。而在愛因斯坦眼中,這個空間的新形象將會解答一個深深的謎題,關於宇宙中一種最普遍的力量:重力。

牛頓知道重力能讓物體互相吸引,而他的定律精準預測了重力的強度,但重力式怎麼運作的呢?地球是如何隔著虛無空間,牽引著幾十萬公裡遠的月球?感覺就像是中間有隱形的線相連,但是大家都知道不是這樣的。

而牛頓定律並沒有提供解釋。愛因斯坦發現牛頓的重力學說沒有給出重力的本質,他需要想出其中的機制。在設法解謎十多年後,愛因斯坦達成了驚人的結論,重力的秘密就在時空的本質中,這比他先前體會到的更有彈性。時空就像布料一樣可以伸展,這和當年牛頓的理論相比有了一個極端的突破。

我們都玩過桌球,想像下,把桌球想像成時空,把那些球想像成空間中的物體。如果時空像桌面一樣平坦,物體就會呈直線行進,但若空間像布料能伸展彎曲呢?這感覺或許有點奇怪。如果把重物放在有彈性的時空會如何呢?重物會把時空壓成凹陷形狀,如果這時再打球,這個球就會沿著布料被重物壓出的凹陷走。

而這讓愛因斯坦領悟到這就是重力運作的方式,是因時空內的物體造成時空扭曲,換句話說,重力就是時空本身的形狀。月球沿著軌道走,不是因為被神秘力量往地球牽引,而是因為沿著被地球在時空中所創造出來的凹陷弧形而滾動。

因為愛因斯坦,我們知道空間變得不只真實,而且還有彈性。突然間空間有了性質,突然間空間有了曲率,突然間空間有了彈性幾何,這開啟了我們對現實的全新思考,用來描述整個宇宙。愛因斯坦也因為這項觀察而留名青史。

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