引力到底是什麼?是時空的彎曲還是引力子?

2020-12-22 鍾銘聊科學

四大作用才是宇宙的規則

首先,「萬物的秩序規則」並不是只有引力說了算。畢竟,在宇宙中存在四種作用力:強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用,引力。

其中強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用的存在,保證了物質的存在,說白了,它們就是粘合劑,把基本粒子粘合起來,這才構成了物質。為此,科學家構建了粒子物理標準模型。其中費米子就是基本粒子,而玻色子則是傳遞這三種作用的粒子。

強相互作用和弱相互作用確保了,原子核的形成,膠子傳遞的強相互作用束縛住夸克在質子和中子等強子中,介子傳遞的強相互作用束縛住質子和中子在原子核中。弱相互作用確保了電子不會墜入到原子核中。電磁相互作用則是確保了原子之間可以相互獨立,不至於太近,同時也不至於太遠。

也就是說,沒了這三種作用力,宇宙中的物質也不會存在。因此,更合理的說法應該是,四種相互作用才是「萬物的秩序規則」。

引力

關於「引力」的解釋,歷來說法有很多,而且引力至今也是科學家在思考和研究的對象。我們可以先簡單描述一下引力的作用,如果從宇宙的大尺度上來看,引力是星系的粘合劑,如果沒有它們,宇宙中的物質會成一盤散沙。

正是因為引力有趨勢物質相互靠近的作用。因此,它可以把宇宙中的一些距離相近的物質聚合到一起。大部分的星系就是由物質和暗物質提供的引力而聚集起來的。而太陽系,則是依靠著太陽的引力將8大行星、小行星等天體束縛在太陽系的勢力範圍內。

關於引力的解釋,每個時代都不太一樣,古希臘時代,亞里斯多德就提出過一套。後來,牛頓也提出過一套,也就是萬有引力定律。他認為引力是一種超距作用,說白了就是,如果太陽消失了,那所有在太陽系內的天體都會沿著軌道的切線方向飛出去。

不過,總體來說,大家對於「超距作用」並不是很認同。

後來,有兩個理論都試圖解釋引力,一個是粒子物理標準模型,也就是剛才說到的統一了除了引力之外的三種作用的理論模型。這套理論,說白了就是依靠「粒子」、「場」的概念來解釋這三種作用。因此,解釋引力也勢必要用到這些。

於是,科學家就假設了「引力子」的存在。但是很多問題不能光是拍腦袋來決定的,首先是要找到這種粒子,其次理論要能和實際相匹配。但是,這個「引力子」的相關理論,不但找到它的存在,並且這個引力理論和實際的情況誤差很大很大,因此,目前這個「引力子」理論並不是解釋「引力」的主流理論。它的準確程度和牛頓的萬有引力定律都完全沒法比。

廣義相對論

另外一個解釋引力本質的是愛因斯坦的廣義相對論。在廣義相對論當中,引力的本質是時空的扭曲。

就拿太陽系來說,太陽壓彎了周圍的時空,地球是沿著「時空」的「直線」(也被叫做測地線)在運動。如果從二維上來看,就是下面這樣:

所以,科學家惠勒曾經概括過廣義相對論,他是這麼說的:

物質告訴時空怎麼彎曲。時空告訴物質怎麼運動。

那這套理論和牛頓的萬有引力比起來呢?

實際上,廣義相對論是目前對引力本質的解釋最為主流的理論,這就在於它特別的準確,比牛頓的萬有引力還要準。科學家愛丁頓就曾經帶隊去驗證廣義相對論預言的光線在強引力場下的偏折情況,結果是愛因斯坦預言結果遠比牛頓的萬有引力計算出來的好。

不僅如此,還有很多實驗都證明了廣義相對論的準確性,而且廣義相對論還預言了引力波,黑洞存在。

正是基於這些證據和預言,廣義相對論才成為了目前解釋引力的主流理論。

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    根據狹義相對論所證明的,沒有什麼信號或者能量的傳遞速度能夠超過光速,如果太陽突然爆炸,地球最快也要在八分鐘以後才能得知真相,引力的傳播絕對不能逾越光速這個極限,如果引力真的可以超距作用的話,那麼就可以靠有規律的改變質量的大小來向遠方傳遞信息,這就跟摩爾斯電碼一樣,這顯然違反了狹義相對論的理論。那既然引力無法超距作用,那引力又到底是什麼呢?它的作用機理又是什麼樣的呢?
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  • 愛因斯坦說引力不是力,那引力子又是咋回事?
    最近寫了一篇文章詳細介紹愛因斯坦的廣義相對論中一個反直覺的論點:萬有引力不是力,只是時空彎曲的幾何效應。不少網友表示依然無法接受這種說法,並且還有大量網友表示:如果引力真的不存在,那麼為啥我們還要尋找引力子呢?今天針對這些問題我來做一個解釋。
  • 引力子真的存在嗎?
    直到1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,他認為我們所謂的引力事實上是空間和時間的畸變。地球看似是沿著橢圓軌道繞太陽運行,實際上它是沿著彎曲時空中的直線運動。大質量物體使時空彎曲。(圖片來源:T.那麼,物理學家自然要問,引力是否也是由某種粒子交換而產生的?為了連接引力和量子理論,物理學家提出了一種全新的假想粒子——引力子。雖然我們還從未觀測到一個引力子,但是我們已經對它有足夠的了解,如果它是真實存在的。
  • 時空彎曲產生引力改為引力使時空彎曲,能不能解釋相對論的問題?
    回到引力身上引力是什麼,人類從發明出哲學開始,已經思考論證了差不多2000年了。其中能拿到檯面上爭論,可以驗證對錯的,就是牛頓和愛因斯坦的引力之爭。牛頓發現萬有引力後,從「萬有」這個命名,大家應該可以理解到,引力不用管如何產生!
  • 引力究竟是什麼?科學家正在逐步完善
    我們知道一顆蘋果使牛頓發現了萬有引力,使得人類重新審視探索發現世界,而對於物理學研究來說這也是一個巨大而的進步,這個發現也被稱為17世紀自然科學最偉大的科技成果之一,為我們揭開了許多未解之謎和一些以前無法解釋的自然現象,今天我們就來說一說萬有引力到底是什麼?
  • 愛因斯坦將引力解釋為「時空彎曲」,到底有啥證據可以證明?
    前面幾篇文章我重點講解了廣義相對論關於黑洞的相關知識,但是很多網友表示:無法接受將引力解釋為時空彎曲,認為引力就是一種真的力。哈哈,這沒關係,因為愛因斯坦的很多理論都是於我們的常識相違背的,所以無法接受時空彎曲很正常,不過這期我將從實驗角度來分析,給時空彎曲理論提供有力的證據。
  • 宇宙萬物都有引力,那麼引力的本質是什麼?又是如何產生的?
    引力是自然界四大基本力之一,人類之所以能站在地表全靠引力的牢牢吸附。人類對引力的第一次系統認知始於牛頓時期的萬有引力定律,從那時起人們知道了物體質量越大造成的引力就越大,然而當時牛頓雖然知道萬有引力,但他並不知道引力是如何產生的。
  • 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。
  • 引力是如何產生的?
    目前科學界的主流觀點認為,引力的本質是時空彎曲,這一觀點來自愛因斯坦的廣義相對論,並且經過了非常多的天文觀測證實,還在理論上起到了很好的預測作用。在人類對引力的認識過程中,主要出現了三大理論。下面分別介紹一下。
  • 假想的「引力子」是否真的存在?
    如果引力真的遵循量子力學的規則,那麼被稱為「引力子」的粒子就會與常規物質不斷碰撞在理論上存在著一種特殊的粒子--「引力子」(graviton),許多物理學家都相信引力子的存在,但很少有人認為我們會看到它們。這些假設的基本粒子是量子引力理論的基石,但在自然界中很難觀測——或許不可能被觀測。量子引力是對引力場進行量子化描述的理論,試圖統一愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。
  • 彎曲時空,重力,它們的關係是什麼?
    事實證明,只要給出適當的定義,這條路徑就相當於一條穿過四維時空的直線,也就是時空的彎曲。這和重力加速度有什麼關係呢?讓我們根據在地球上的位置來選擇一個坐標系。我在原點並且定義我們在t = 0的時候把球扔到空中(這實際上是給這個位置起個名字,僅此而已)。我們可以用一個適當的參數(我們稱之為「仿射參數」)來描述球在時空中的位置。
  • 時空是彎曲的 之三
    鐵球受到地球的引力作用,愛因斯坦認為,地球對鐵球的作用不是直接超距的,是地球周圍產生一引力場,引力場作用於鐵球,引起鐵球的下落運動。質量不同兩鐵球同時落地,表明在引力場中,物體獲得的加速度與其質量無關。根據牛頓第二定律和萬有引力,愛因斯坦發現一個原理:慣性質量等於引力質量。
  • 愛因斯坦指出牛頓錯誤,直言引力並不存在,只是「時空的彎曲」
    首先,「引力」在愛因斯坦看來,其實並不存在,所謂的引力是質量對時空的影響,並不是一種單純的力i,其實仔細思考一下就會發現,引力的很多特徵並不符合我們熟知的力。引力絲毫並不需要介質,並且引力似乎不會因為吸引某個物體後發生衰減,只是會根據距離的不同呈現出不同程度的力。因此愛因斯坦在不斷研究後指出,引力並不是力,而是「時空塌陷」。
  • 為啥只有引力能超越一切維度(引力子和中微子能在高維空間遊泳)?
    再來看看引力子在一維世界中的情形,它被假設成負載著萬有引力的量子微粒。 光量子無法逃離自己所處的世界,但是引力子卻可以! 理論上,引力子的作用可以超出它自己的宇宙,去影響旁邊的宇宙,讓其他宇宙也感覺到引力的存在。這是引力的特性所決定的。
  • 時空發生彎曲其實是密度在搗鬼
    造成的結果,萬有引力是時空彎曲的表現。」光線彎曲這段話的意思是在說,空間彎曲是引力導致的。這話沒毛病,引力是什麼,怎麼導致的,這就變得很抽象來。用具象話來說,其實就是傳播光的介質自身密度所決定的。所以彩虹發生了彎曲。而彎曲彩虹和直線彩虹的最直接對比就是噴壺VS三稜鏡。三稜鏡折射出來的光則是純粹的直線。那是因為三稜鏡的鏡面是平面鏡。而噴壺噴出來的則是類似於球形範圍,因為這是水的張力特性。所以所謂的引力導致的時空彎曲不過是區域範圍內空間密度不同導致的。