我是引力，我還有三兄弟，一口氣告訴你我前世今生的秘密

我是引力，我有無窮的魅力，也有點撲朔迷離，在這個世界上，我並不孤單，我還有三個兄弟，大家叫我們「四個基本作用力」。

四兄弟

據推測，我們兄弟四個本來是一體的，後來才各自分開。在宇宙誕生之始，也就是大爆炸之後的10^-43秒鐘的時候，我首先分離了出來；隨著時間的推移，宇宙繼續膨脹，到達10^-35秒時，老二「強核力」分離了出來；再後來老三「電磁力」和老四「弱核力」，相繼從「弱電力」中分裂了出來。

宇宙大爆炸示意圖

如果把組成世界這個大廈的物質比作磚頭瓦塊的話，我們四兄弟就是它們的粘合劑——水泥。沒有我們，這個世界就不會如此牢固結實。

我和老三「電磁力」，產生作用的距離比較大，老二「強核力」作用的距離只是在原子核以內，而老四「弱核力」作用的距離是最小的，有效範圍只有10^-17米。

雖然我作用的距離很大，但是我的力是最弱的，兩個電子間的電磁力就比我大10^36倍，然而，強核力比電磁力還強100倍，而比弱核力強10萬倍。

我的力量雖然很微弱，但是在巨大質量的物體中，積聚起來的力量就是可怕的。我可以讓一個恆星坍縮成為一個白矮星、中子星甚至變成為一個黑洞。

所以我們是各有分工的，老三「電磁力」，負責把物質中的原子和原子、分子和分子之間粘合在一起的，比如氫和氧結合生成水，就靠它了；老二「強核力」，負責把原子核中的夸克粘合成中子和質子，又把中子和質子粘合成原子核，有了它原子核才那麼牢不可分；老四「弱核力」，決定的是放射性衰變；而我，作為老大哥，就負責把原子、分子組成的物質聚集在一起，比如讓物質結聚成了行星、恆星和星系，還讓你不會容易脫離地球掉到太空中，也讓地球一直繞著太陽轉，不讓它隨便的脫離軌道......。

在我們和組成物質的粒子之間都有一個傳遞力的信使。傳遞電磁力的是「光子」；傳遞強核力的是「膠子」；傳遞弱核力的是「W、Z玻色子」；而我，傳遞力的則是「引力子」。它們幾個在實驗中都已經被發現和證實，可鬧心的是，我的「引力子」至今還沒找著，以至很多人對我產生了各種各樣的質疑。

不管別人如何看待我，我就是我，不一樣的煙火！我就是這樣獨特有魅力，同時也象迷一樣撲朔迷離，難道你就不想再多了解我一下嗎？

不同時期，人們對我有不同的理解。

亞里斯多德對我的理解

在2000年前的古希臘時代，亞里斯多德就認為，重的物質會趨於落向宇宙的中心，輕的物質會趨於離開宇宙的中心，當時人們認為宇宙的中心就是地球，所以你看到的水、土、石塊等總是落向地球，而火和氣等就會離開地球。並且他還認為越重的物體下落的速度就越快。

天上的星星之所以沒有落向地球，是因為它們是輕物質，輕物質比重物質移動得更靈活、更快，所以天上的星辰都在繞著地球在運動。也因為圓是當時人們認為最完美的幾何形狀，顯然，星辰繞地球運動也是圓周的……

雖然亞里斯多德當時對我的理解，很符合人們的日常所見，也算是對我有了初步的描述。但是，後來的伽利略並不這麼認為，他通過自由落體實驗和斜面實驗，證明亞里斯多德的觀點是錯誤的。

他發現，在真空中物體下落的過程，速度與物體質量大小無關，物體下落的距離與時間的平方成正比，它們的重力加速度都是一樣的，大約都是9.8m/s^2。

克卜勒當時也發現了他的行星運動定律，他發現地球並不是繞太陽在做圓周運動，而是一個橢圓形的軌道。

不管是伽利略還是克卜勒，他們對我已經有了更多的了解，但是，為什麼重物總是落向地球？為什麼行星會繞著恆星做橢圓運動？他們當時都沒有解釋清楚原因。

牛頓對我的理解

一直到1687年，牛頓在伽利略和克卜勒等人的理論基礎上提出了萬有引力定律。這時，我才有了正式的稱呼：引力。

據說，牛頓是因為蘋果落下來，砸到了腦袋才想到我的存在的。他認為蘋果向地面落下來，是因為地球有一個對蘋果的吸引力，而根據他的第二運動定律，力是相互作用的，蘋果也會對地球有一個同樣大小的吸引力。

後來他還發現，向遠處扔一個石塊時，石塊會呈一個拋物線才落到地上。於是他想，假如扔石塊的這個力越來越大，會是怎麼樣的結果呢？牛頓相信，如果有一門威力足夠大的大炮，發射出一顆炮彈，速度足夠快的話，這個炮彈就會繞著地球轉圈圈，這個就是著名的「牛頓大炮」思想實驗。

炮彈受到一個推力同時，也受到地球的引力，由於炮彈保持慣性運動，從而產生一個向心力。此時，炮彈似乎也有一個與向心力方向相反，大小相等的向外推的離心力，當炮彈的初始速度，讓它的慣性運動和向心力達到平衡時，它就可以繞著地球轉圈圈，就像你用手抓著一根耳機線，繞著頭頂甩著耳機一樣，耳機並不會飛離出去。

地球和其他的行星不就是這樣繞著太陽轉的嗎？牛頓終於找到了規律，最後他得出結論：不管是天上的，還是地上的，有質量的物體之間都會存在著一個引力，這個引力的大小和物體的質量成正比，和它們的距離的平方成反比。這個也就是牛頓的萬有引力定律。

你沒有掉到太空中去，是因為地球和你之間有我在產生作用，而地球繞著太陽旋轉也是因為太陽和地球之間有我的存在，並且地球的慣性運動和太陽的向心力之間達到了一種平衡的狀態。

可是，地球和太陽那麼遙遠，我的引力是怎麼產生作用的？這個牛頓當時也說不清楚。牛頓的萬有引力公式中，引力只和物體的質量和距離有關而與時間沒有關係，這意味著兩個物體間的引力是超距作用的，是瞬間產生的。

愛因斯坦對我的理解

到了1905年，愛因斯坦的狹義相對論出來後，這個問題又被扯了出來。愛因斯坦說，狹義相對論是不允許空間中任何物體的運動速度超過光速的。你牛頓說萬有引力是瞬間產生的，這不是超光速了嗎？這不科學呀！

為了證明牛頓萬有引力「超距作用」的說法是錯誤的，愛因斯坦後來用廣義相對論，重新給我做了一番解釋。他認為，你們之所以感覺到我的存在，是因為大質量的物體彎曲了時空造成的。

物體在自然狀態下，是沿著阻力最小、距離最短的路線運動的，在平面中就是直線運動。但是，在曲面中，最短的距離並不是一條直線，而是一條測地線。

測地線示意圖

當質量很大的物體把周圍的時空彎曲時，附近的小質量物體就會沿著大質量物體彎曲的時空的測地線運動，最終跌落到大質量物體的「坑」裡。此時表現出來的，就像是兩個物體間有一種吸引力。這個也就是「物體告訴時空如何彎曲，時空告訴物體如何運動」。

愛斯坦還認為，物體的質量和能量是可以相互轉化的，它們是物質的同一種屬性，只是兩種不同的表現形式而已。於是他斷言，光雖然沒有靜止質量，但是運動中的光是有動量的，所以光也會受到大質量物體彎曲時空的影響。

為了證實愛因斯坦說法的正確性，到了1919年5月29日，正好有一次日全食。英國的科學家愛丁頓，派兩波人分別到西非的普林西比島和巴西的索布拉爾，去觀測太陽背後畢宿星團的星光，看它們經過太陽時，是不是真的被太陽彎曲了。

結果觀測得出，星光確實被太陽彎曲了一丟丟。兩組人測量的結果，加權平均後得出偏移了1.79弧秒，和愛因斯坦算出來的1.74弧秒比較，誤差在實驗容許的範圍之內。

愛因斯坦的廣義相對論還預言了引力波、引力透鏡和黑洞等等現象，後來都被科學家們證實和發現了。

從此，愛因斯坦的廣義相對論得到了更多人的認可，愛因斯坦也從一個「了不起的科學家」變成了「世界的偉人」。而我，從此也有了新的定義和解釋。

那麼牛頓對我的描述錯了嗎？

牛頓關於我的說法被愛因斯坦的理論超越，但是我們並不能因此就說牛頓的理論是錯誤的，只能說它的適用範圍是有限的。

其實，在你們的日常生活中，遠遠低於光速的運動和一般的物體質量之間，我產生的引力微乎其微，不會有很明顯的差別，這時牛頓的理論可以說是有著超乎想像的精確性。但是，在接近光速或是像在黑洞這樣質量巨大的地方，牛頓理論就失效了。

愛因斯坦廣義相對論與量子理論的矛盾

愛因斯坦對我的描述也是並非完美的。在宏觀的環境中，愛因斯坦關於我的理論，似乎是沒有任何問題。但是，在原子、亞原子尺度下的微觀世界裡，它又跟量子力學理論有嚴重的、不可調和的矛盾。

目前，格拉肖、薩拉姆和溫伯格已經在實驗中證實，老三「電磁力」和老四「弱核力」本來是同一種力——電弱力，它們只是兩種不同表現形式而已。而且，量子理論初步的間接證據表明，老二「強核力」可能一開始也是與「電弱力」統一在一起的。只有我，至今還沒有很好的理論說明，最初我是和他們三個統一在一塊的，現在連我的「引力子」都還沒找著呢？

關於對我的描述，在宏觀上廣義相對論是對的，在微觀上量子理論是對的，它們各持其職，相安無事。可是在有些地方，比如黑洞和宇宙大爆炸奇點的地方，物體的質量非常巨大緻密，而它的體積又是極其的微小。這個時候就得同時用到廣義相對論和量子力學的理論了。然而，它們各自有各自的說法，沒法統一起來。在同一個宇宙，物理法則怎麼會有兩個不一樣的解釋呢？這讓物理學非常的頭痛。

誰將會是把我們四兄弟統一起來的人？

如何把愛因斯坦的廣義相對論和量子力學的理論完全融合起來，讓我們四兄弟統一到一塊去，這可是物理學家們目前的終極夢想，他們稱之為「大統一理論」。

愛因斯坦生前也一直在為此奮鬥不息，可惜直到他生命的盡頭，還沒有看到一丁點兒的希望。關於這個「大統一」的問題，最終給出答案的將會是誰呢？這個我也不知道，答案就留給你們每一個人去尋找……

有識 有趣 有用 就是醬子聊科學，關注我漲姿勢！

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主要觀點的資料來源：

皮埃爾.比奈託利的《追蹤引力波》；

布萊恩.格林的《宇宙的結構》；

史蒂芬.溫伯格的《給世界的答案》；

愛因斯坦的《相對論》；

郭奕玲 沈慧君《物理學史》；