關於引力為什麼這麼弱,這個比喻讓人啼笑皆非又腦洞大開

2021-01-13 天文同好樂園

在當代物理學中,物理學家們用四種力來描述宇宙中物質間的相互作用,引力就是其中的一種。相較於其他三種力,引力的強度非常弱,簡直弱爆了。電磁力、強核力和弱核力三者之間雖然也存在強弱差異,但是在引力面前,這三種力可以算得上是肌肉發達的超級英雄。對於引力與其他三種力之間的巨大差異,物理學家們很是撓頭不解。要知道,物理學家們最嚮往的,當是物理學定律的和諧統一,但引力這麼弱,原因何在?又到底意味著什麼?

引力的「微笑」

當前有一個存在很大爭議的物理理論似乎可以解釋這個問題,這個理論就是弦理論。弦理論預言宇宙存在更高和更多的維度,除了我們身處的三維空間和一維時間以外,弦理論認為還存在額外6個維度,而弦理論的升級版M理論則認為還存在7個額外維度。相信更高維度存在的物理學家也不少,他們認為,高維空間存在有助於揭開一些宇宙未解之謎,比如說引力為什麼這麼弱。大致的意思是,物質間的相互作用力會隨著距離的增加而變弱,而變弱的速度取決於空間維度的多少。

我們的宇宙可能存在於高維空間中

換句話說,空間維度越多,被稀釋到其他維度的力也就越多。有物理學家打了一個比方,如果有人在電梯裡放了一個屁,那會是什麼情況?離放屁的人越近,你聞到的臭味就越濃,而在相對遠離「出氣口」的地方,臭氣分子(又稱臭粒子或臭子)會散布到空氣中並被稀釋。換一個場景,如果這個人在一條走廊裡放屁,那麼走廊裡的每個人都會吸入臭氣分子;但假如有很多條走廊互相交叉,這個人在交叉處放屁,那麼臭氣分子就會沿著走廊的不同方向快速擴散。道理很簡單,走廊越多,稀釋的速度也就越快。

兩個鄰近黑洞會產生引力波

引力雖然沒有味道,但似乎也有這種特點,因為在牛頓的平方反比定律中,引力的大小不僅依賴距離,還與空間維數有著密切的關聯,空間維數決定了引力在空間裡的發散速度。但這裡有一點十分令人迷惑,為何只有引力會受額外維度的影響,而其他作用力卻不會擴散到額外維度中去?根據物理學家們的說法,這和額外維度的大小有關。無限大的三維空間能夠困住夸克、輕子和規範玻色子,所以只有引力能夠在高維空間中穿行。

引力波探測有可能尋找到額外維度

高維空間是否真的存在?引力是否真的像交叉走廊裡放的屁一樣被稀釋了呢?我想現在誰也不敢肯定。更多維度的存在削弱了引力的強度這個設想目前還停留在理論層面,但不可否認的是,理論物理學家們不會隨意大開腦洞,重要的是接下去如何尋找到額外維度存在的確切證據。

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