宇宙秩序規則：引力，到底是怎麼產生的？是時空彎曲還是引力子？

2020-10-18 星辰大海種花家

宇宙秩序規則的締造者-引力，這個定義似乎沒錯，因為在我們觀測到的所有天體的運行，無一不遵循引力的規則，那麼真實我們這個宇宙的「上帝」？其實未必，因為物質世界規則締造者有四個，而引力只是其中一個而已。

一、物質世界的主導

物質世界有四種基本作用力，分別是引力、電磁力、強相互作用力和若相互作用力，它們應對的範圍各不相同，在各自的崗位上各司其職。

  • 在天體層面上主導的的引力

  • 在分子和原子的尺度下主導的是電磁力

  • 在原子核和強子的尺度，主導的是強作用力

  • 在輕子和夸克的尺度內，主導的是弱項作用力

當然引力可囊括一切，這理解並沒有錯，但在微觀尺度下，引力的作用基本是可以忽略的。猶如強龍不壓地頭蛇，在微觀世界中的界限劃分可是很清楚的。

我們的物質世界有起到磚塊作用的費米子和粘合作用的玻色子組成，儘管在粒子模型中名字各異，但都可以歸類到這個大類裡，比在帶電粒子之間傳遞電磁力的是光子，夸克間起到粘合作用的是膠子，而弱相互作用則是又由W和Z玻色子傳遞！

基本作用力的傳遞說完了？對，說完了！

為什麼只說了三個，傳遞引力的引力子呢？被吃掉了嗎？實在抱歉種花家根本吃不了引力子，但也不能憑空創造出一個引力子，至少在現在，它還沒有在標準粒子模型中出現的資格，因此對廣義相對論的量子化道路上仍然很漫長哦。介紹引力，我們還是得從牛頓經典力學開始！

預測中的引力子，我們祝願物理學家早日找到。

二、從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的廣義相對論

聽說牛頓被蘋果砸到了才發現了萬有引力，當然這個橋段你可以繼續當故事講給你家小朋友聽，但卻不合適在正式場合引用，除非你打算活躍一下氣氛！他發現萬有引力定律是因為哥白尼的日心說，以及克卜勒的行星三大定律給他架好了梯子，所以牛頓才會說「他站在巨人的肩膀上」，儘管他現實中毫不客氣，比如他就仗著英國皇家學會會長的權利擺了萊布尼茲一道。

當然我們今天並非是萊布尼茲抱不平，因為微積分思想、方法與符號的都是萊布尼茲的。我們討論萬有引力，現在理解起來很簡單，如上圖，無論天體質量大小如何，它們之間的引力都是相等的，這與它們之間的質量之積成正比，與它們距離的平方成反比，當然還有一個萬有引力常數，直到牛頓去世都還沒測出G的值是多大，但在70年後卡文迪許巧妙的用扭稱解決了這個難題。自此萬有引力定理大行其道，天體間所有行為都可以以此為基礎展開計算。

萬有引力的尷尬

是什麼傳遞了萬有引力？因為在牛頓時代對力理解是力的傳遞必須要有一種介質，會是哪種介質呢？真空肯定不能傳遞力，因此可愛的牛頓勳爵「盜用」了亞歷山多德「以太」的概念，他認為宇宙中充滿了看不見的「以太」傳遞了萬有引力！

經典力學「以太夢」的破滅

牛頓成功的將萬有引力的傳遞媒介給粗暴的解釋了，但他管殺不管埋，「以太」這種物質就只能讓後人來尋找了，但這個「以太」的概念困擾了西方科學界數百年，直到一個經典的、足以驗證「以太」的物理實驗展開，但它驗證的卻不是「以太」存在，而是從根本上否定了以太。

麥可遜-莫雷實驗

其實麥可遜-莫雷實驗很單純，受到經典力學的影響，當時的科學界認為光的傳播介質也是「以太」，那麼問題來了，地球環繞太陽公轉速度30千米/秒，那麼肯定會有「以太風」，而光在以太風傳播肯定會受到影響。

麥可遜-莫雷實驗裝置

但原本證明以太的實驗卻否定了以太，這讓牛頓情何以堪呢？幸虧在麥可遜-莫雷實驗之時已經是1887年，此時距離牛頓去世已經將近160年，要不然讓牛頓老臉往哪兒擱啊！其實這還有個故事，儘管麥可遜-莫雷實驗否定了以太的存在，但當時莫雷並不相信自己驗證的結果，而是反覆與米勒設置改進後的實驗環境，試圖找出問題所在，而且各路人馬也加進了驗證實驗的大軍。

設備越來越先進，條件越來越苛刻，最終結果卻逐漸趨向於測量誤差。當然現代實驗準確無誤的推翻了上述各種結論，但在此之前洛倫茲等科學家早已認為所謂的以太速度不過就是誤差而已。

水星進動-屋漏偏逢連夜雨的牛頓經典力學

牛頓經典力學就像一艘到處破了洞卻還在大海上行駛的船，以太這個大洞還沒補上，卻又破了一個水星進動的大洞，其實準確的說，水近日點進動這個大洞還破的更早一些！

在萬有引力的理想狀態下，行星在圍繞恆星公轉時，比如一顆恆星與一顆行星的條件下，行星的軌道會是一個永遠都不會改變的橢圓但穩定的軌道，但當這個恆星系有其他行星時，會受到各種幹擾，產生進動，如上圖，這種軌道進動是可以被觀測和計算的。但1859年法國天文學家勒維耶發現水星的實際軌道進動與預期的並不十分相符，在觀測水星軌道的近日點進動時，觀測結果與計算結果相違背：

觀測結果：5,600.73角秒/100年

計算結果：5,557.62角秒/100年

兩者相差43.11角秒（其實勒維耶觀測的差異是38角秒），這就是水星近日點進動問題的由來，當時的解釋也五花八門，甚至還懷疑水星軌道內還有一個天體。

當然我們現在知道水星進動問題是因為水星偏心率很高，近日點距離太陽很近時在太陽巨大質量導致彎曲時空中運行，它所經過的真正距離與遠日點是有差異的。

廣義相對論

如果用一句話來概括廣義相對論的話，那麼用「引力是時空的幾何」是最合適的，在這裡有一個很關鍵的名詞是時空，廣義相對論中認為時空是一個不可分割的整體，空間的幾何變化同時會產生時間的變化。廣義相對論將宇宙時空這個不可分割的結構看成是一個彎曲的黎曼流形，可以用數學中的黎曼度量來定義這個空間的彎曲。廣義相對論認為這個量就是天體引力交互的作用勢。

上圖是愛因斯坦的引力場方程，當然早期還有一個宇宙常數。這個方程在計算球對稱天體引力場的引力與牛頓萬有引力公式是相同的，這表示廣義相對論可以完美包容牛頓的萬有引力，並且還補上牛頓萬有引力傳遞介質「以太」的超級大坑。另外順帶將掉在水星進動迷霧中的一大波天文學家拉了出來。

「宇宙時空的彎曲 =引力場」

美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒對廣義相對論的理解可謂是一針見血：「質量告訴時空怎麼彎曲。時空告訴質量怎麼運動」，不理解廣義相對論這完全沒有問題，但一定要記得這句話，因為裝B的時候到了。

當然愛因斯坦的引力場方程驗證理論並不只有水星進動，還有1919年英國天文學家愛丁頓帶隊驗證廣義相對論預言的日食光線彎曲，以及後期的觀測到引力透鏡現象（愛因斯坦環，愛因斯坦十字架），這都在實際觀測中驗證了愛因斯坦的理論模型。

哈勃太空望遠鏡觀測到的愛因斯坦環，猶如一層「日暈」的效果就是引力透鏡效應。

愛因斯坦十字架，看起來像一片苜蓿葉，其實是前景星系的強大引力場，把遙遠類星體的光，分裂成了四個單獨的圖像。

當然這個引力透鏡效應也成了確定暗物質分布的有力工具，比如國家天文臺舒軼平博士和毛淑德研究員就通過哈勃望遠鏡合作觀測期間選擇了背景天體為萊曼alpha發射體的引力透鏡來提高暗物質發現的精度，因為背景天體越小，能探測到暗物質子暈的質量就越低，萊曼alpha發射體是大質量恆星系的種子星系，能將靈敏度提高一個數量級左右。

哈勃獲得的21個強引力透鏡候選者，圍繞著前景透鏡星系的藍紫色結構就是背景萊曼alpha發射體的多重像。

三、產生引力的彎曲空間還是引力子？

迄今為止能夠驗證天體運行理論模型的依然是彎曲空間，當然LIGO在2015年9月14探測到引力波事件只是引力彎曲空間理論上的神補刀而已。而引力子則到現在為止還停留在傳遞引力的「假設粒子」階段，對於未來是否會發現「引力子」，這是一個問題，但追求事件背後的本質一直都是人類探索未知世界的原動力，無論未來會驗證出什麼結果，這都是人類科學的進步。

「宇宙很奇妙，但我們想了解其本質」--星辰大海路上的種花家

相關焦點

  • 引力到底是什麼?是時空的彎曲還是引力子?
    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。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。
  • 萬有引力的本質到底是什麼？引力子還是時空彎曲？
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律，但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的，引力的本質到底是什麼？牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘，不過在牛頓時代，發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了，研究引力的本質確實有些強人所難，畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。
  • 萬有引力的本質到底是什麼?引力子還是時空彎曲?
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律，但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的，引力的本質到底是什麼？愛因斯坦深知引力的背後一定藏著更深的奧秘，畢竟雖然人們知道引力的存在，但引力為何會存在？這種對於大自然的好奇心，加上顛覆性的思維方式，當然也少不了專業性的物理學知識，讓愛因斯坦提出了「時空彎曲」的概念，他認為引力的本質就是「時空彎曲」！用通俗的方式理解時空彎曲，是這樣的。
  • 引力到底是怎樣產生的?
    宇宙秩序規則的締造者-引力，這個定義似乎沒錯，因為在我們觀測到的所有天體的運行，無一不遵循引力的規則，那麼真實我們這個宇宙的「上帝」？其實未必，因為物質世界規則締造者有四個，而引力只是其中一個而已。為什麼只說了三個，傳遞引力的引力子呢？被吃掉了嗎？實在抱歉種花家根本吃不了引力子，但也不能憑空創造出一個引力子，至少在現在，它還沒有在標準粒子模型中出現的資格，因此對廣義相對論的量子化道路上仍然很漫長哦。介紹引力，我們還是得從牛頓經典力學開始！
  • 真的是時空彎曲產生引力嗎？
    導讀：真的是時空彎曲引力嗎？這個問題不值得懷疑嗎？我對此持懷疑態度。這是一種迷惑，是一種引力「假象」。所以說愛因斯坦建立了一個對的理論，卻解釋錯了，就是不能用時空彎曲解釋引力的成因！F直接就代表的是引力！愛因斯坦場方程中那個是引力「F」？這就是我為什麼不贊同引力是由時空彎曲產生的。而是把引力產生的根源歸結為時空，即右邊的質量分布項，但它表示的是時空分布，即時空場。說到時空場，我問你一個問題：引力場和電磁場有什麼不同？我的意思是引力場和電磁場哪個是平直的場，哪個是彎曲的場？這個問題絕對有意思，你慢慢想。
  • 引力？是時空彎曲還是引力子作用
    大家都知道物質世界有四種基本作用力，分別是引力、電磁力、強相互作用力和若相互作用力，它們應對的範圍各不相同，在各自的崗位上各司其職。在天體層面上主導的的引力在分子和原子的尺度下主導的是電磁力，原子核和強子的尺度，主導的是強作用力，在輕子和夸克的尺度內，主導的是弱項作用力，當然引力可囊括一切，這理解並沒有錯，但在微觀尺度下，引力的作用基本是可以忽略的。
  • 在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
    如果光經過扭曲的時空也會，即可證明時空真的發生了扭曲。論證之前，我們先講明白原理。我用生活中一些簡單的例子，來解釋關於引力，光、時空的關係。一、萬有引力是時空彎曲的表現二、何為時空三、光被「掰彎「了萬有引力是時空彎曲的表現什麼是萬有引力，最早是牛頓告訴我們的，把蘋果從樹上拉下來的力，就是萬有引力。萬有引力是兩個物體的質點互相吸引產生的力。
  • 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！上帝只需要在最初一刻推動一下天鍾即可。簡單的說，牛頓認為引力是宇宙的標配，無處不在，傳播不需要時間。
  • 引力是由物質質量產生,那麼同等質量的物質都產生相同的引力嗎?
    根據現有理論引力就是由物質質量產生，同等質量的任何物質都產生相同的引力。大科學家牛頓提出了萬有引力定律，蘋果瓜熟蒂落掉在地面和月球的長久相伴，是因為同等性質的力。根據質量乘積正比距離平方反比的萬有引力公式來看，計算引力的時候也只是僅算質量，並沒有分物質。萬有引力是宇宙天體系統的主要粘合劑，宇宙的規律應該是至簡至純，難以想像會出現因物質不同而產生不同的力。那麼引力的本質到底是什麼，為什麼不同的物質只要質量相同就會產生相同的引力？
  • 彎曲時空，引力退散
    所謂「不患寡而患不均」，不均勻的引力場是有關「引力到底是不是幻覺，引力到底能不能消掉」的一個更本質的問題。你可能想當然地認為，應該還是原來的空間。其實不一定，比如足球是由一塊一塊很小的、比較平的皮子縫起來的，但是縫起來之後，就形成了一個表面彎曲的、球形的足球。我們的空間也是這樣，我們考慮空間中每一點很小的具有不同運動狀態的體積元，把它們粘回來，我們發現最後的空間其實是彎曲空間。不均勻的引力場導致了空間的彎曲。其實彎曲的不只有空間，彎曲的是整個時空。
  • 時空彎曲與引力的關係
    時空會彎曲是真的，這是毋容置疑的。引力波能被探測到就是最好的證明。因為引力波是時空的漣漪，是時空的振動，這說明空間是具有彈性的，不是純剛體的東西。還是把場方程的圖，放在開頭。那麼空間是如何彎曲的，就是我們應該深挖的內容。
  • 一文看懂：重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    我們先來思考一個問題，引力的相互作用是不是瞬間產生的？也就是說不管距離有多遠，只要質量發生變化，引力的大小也會立即跟著發生變化，那這到底對不對呢？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？愛因斯坦發現引力可以引起光線的彎曲，因為光要走最短的路徑，在一個彎曲的空間裡，光的最短路徑看起來就像是一條曲線，既然光總是走最短的路徑，那麼物理規律都是一樣的，一個扔出去的小球是不是也應該走最短的路徑呢？
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    我們先來思考一個問題，引力的相互作用是不是瞬間產生的？也就是說不管距離有多遠，只要質量發生變化，引力的大小也會立即跟著發生變化，那這到底對不對呢？，原子、質子、電子，甚至夸克，這些粒子之間的作用力又怎麼解釋呢？
  • 引力到底是怎麼產生的?是引力創造了星球,還是星球創造了引力?
    引力到底是怎麼產生的？是引力創造了星球，還是星球創造了引力？因為有了引力，所以物體會從高空墜落，人們可以在地表行走，引力的存在毋庸置疑，然而直到現在，也沒人知道引力到底是怎麼產生的，儘管科學家們提出了非常多的想法與猜測，並且每一個看上去都很有道理，但終究只是猜測，並不是確定的事實，那麼引力到底是怎麼產生的呢？到底這些引力創造了星球，還是這些星球創造了引力呢？
  • 引力的本質是什麼?它到底是如何產生的?
    牛頓讓我們明白了萬物之間都有引力，但他並沒有解釋為何會有引力，而這個問題留給了幾百年之後的又一位天才科學家，阿爾伯特愛因斯坦！ 一個世人皆知的人物！
  • 引力是時空性質,不是由時空曲率產生的!
    而愛因斯坦發現廣義相對論必須用到彎曲時空。所以很自然的他將引力的本質歸結於時空曲率。這是從馬赫原理獲得的啟發。而用時空曲率來解釋引力，是無法想像的一件事。這也是廣義相對論可以精確預測和符合很多實驗，卻無法納入到量子場論體系中的原因。引力的本質，還是要從物質和物質空間本身去破解。不是時空曲率！！
  • 時空彎曲的產物!阻礙大一統的「引力子」,或和「上帝粒子」有關
    在牛頓眼中，以太絕對靜止，並均勻填充在宇宙中。引力正是通過以太來傳播相互作用的，並且是瞬時的。牛頓死後，人們發現了電磁力。在一塊磁鐵周圍放許多小磁屑，會發現磁屑呈現出一種曲線形式，這也是磁力線的啟發來源。法拉第解釋到，這表明在磁鐵周圍的空間存在一種均勻分布的場，磁鐵對磁屑的作用正是通過這種場作用的。
  • 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。
  • 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。
  • 質量與引力，誰讓空間彎曲了？相對論認為是質量，弦論認為是引力
    這是大多數朋友的理解，但其實引力和空間彎曲都是一個現象的兩種不同說法，愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，時空是一個不可分割的整體，所以我們在解釋「引力」與空間之間的關係時必須要和時空一起說明，否則這個觀點就是不完整的。