引力到底是什麼?是時空的彎曲還是引力子?

2021-01-07 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。

相關焦點

  • 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。
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    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!
  • 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。
  • 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。
  • 彎曲時空,引力退散
    還有一個更重要的問題:前面我們一直假設引力場是均勻的,如果引力場不均勻,會出現什麼現象?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。我們把引力場分解成了一個個小的體積元,這些體積元之間是什麼關係?如果我們想有一個整體的物理圖像,我們需要把這些小的體積元一個一個的粘起來,這些小的體積元粘起來以後,形成什麼樣的空間呢?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。
  • 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。
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    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。
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    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。
  • 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
    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
    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?
  • 無比強大,卻又無比弱小的引力,它的本質到底是什麼?
    如同強核力、弱核力以及電磁力的媒介粒子膠子、W及Z玻色子以及光子一樣,人們也希望能夠找到引力的媒介粒子,並且事先已經給這種粒子命名為了引力子,只可惜事與願違,時至今日都未能發現引力子的蛛絲馬跡。引力是一種非常強大的力,它遍布於宇宙之中,小到一磚一石,大到宇宙天體,無一不受引力的作用,我們的地球能夠圍繞太陽穩定運行也是託了引力的福。
  • 無比強大,卻又無比弱小的引力,它的本質到底是什麼?
    如同強核力、弱核力以及電磁力的媒介粒子膠子、W及Z玻色子以及光子一樣,人們也希望能夠找到引力的媒介粒子,並且事先已經給這種粒子命名為了引力子,只可惜事與願違,時至今日都未能發現引力子的蛛絲馬跡。整個地球的引力都在將我們手中的手機向下拉,但我們輕而易舉就能夠拿起它,哪怕是一個一歲幼童也能夠在這場與引力的對抗中取得勝利。這是一件很有趣的事情,引力這種無比強大又無比弱小的力到底是什麼呢?它的本質是什麼呢?最初給引力一個準確定義的人就是牛頓,它的萬有引力定律第一次讓人類如此接近了引力的真相。
  • 引力的本質到底是什麼?引力子的質量可能等於零
    目前來說,我們並沒有在實驗中發現萬有引力的傳播子是什麼,因為萬有引力的發現時間要遠遠早於後三種基本力,牛頓最早發現了萬有引力,並且使用數學公式將萬有引力表達出來。後來愛因斯坦使用相對論將萬有引力解釋成是時間與空間的扭曲。
  • 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!
  • 引力到底是怎樣產生的?
    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!
  • 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:讓我們腳踏實地的力量到底是什麼?
    此前流傳於社交媒體平臺的熱帖——「美國宇航局說由於地球受太陽引力的關係,2月10日是對物體的引力最小,一年中唯一可以讓掃把站起來的日子」,被證明並不屬實。然而,這場社交媒體上的集體實驗,也讓人們禁不住想去追問:到底什麼是引力?日常生活中究竟哪些現象真正體現了萬有引力?引力,是由兩個有質量的物體相互吸引而產生的相互作用。
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    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。