重力是什麼?它從何而來?

2021-01-08 怪羅科學

重力。一般人可能不會在日常生活中考慮這個問題,但重力會影響我們的一舉一動。

由於重力,我們會掉下來(而不是上升),物體會摔到地板上,我們在空中跳躍時也不會飛向太空。

從我們出生的那一天起,我們似乎就被這種無處不在的無形力量束縛在地球表面。

但是物理學家一直在思考重力。對他們來說,重力是一個有待解決的謎題,以便全面了解宇宙是如何運作的。那麼,重力是什麼?它從何而來?

牛頓對重力解釋

我們從艾薩克·牛頓和他的萬有引力定律中知道,宇宙中任何兩個物體都相互施加引力。這種關係是基於兩個物體的質量和它們之間的距離。

兩個物體的質量越大,它們之間的距離越短,它們相互施加的引力就越大。

我們也知道重力可以在一個複雜的系統中作用於幾個物體。例如,在我們的太陽系,太陽不僅施加重力行星,讓他們在他們的軌道,但每個星球也對上太陽施加重力,以及其他所有的行星,也都在不同程度上基於質量和自身之間的距離彼此施加重力。

重力超越了我們的太陽系,事實上,宇宙中每一個有質量的物體都會吸引另一個有質量的物體,同樣,所有這些都在不同程度上取決於質量和距離。

愛因斯坦對重力的解釋

阿爾伯特·愛因斯坦用他的相對論解釋了重力不僅僅是一種力:它是時空連續體中的一種曲率。

這聽起來像是科幻小說裡的情節,但簡單地說,一個物體的質量使它周圍的空間扭曲。這通常被描繪成一個沉重的球放在一個橡膠片上,其他較小的球落向較重的物體,因為橡膠板因重球的重量而翹曲。

實際上,我們不能直接看到空間的曲率,但我們可以在物體的運動中探測到它。

任何被另一個天體的引力「捕獲」的物體都會受到影響,因為它所經過的空間是向那個物體彎曲的,這就像自行車在賽車場周圍旋轉的方式。

我們還可以看到引力對光的影響,這種現象被稱為引力透鏡。如果空間中的物體足夠大(比如一個大星系或星系團)它就會導致一束原本是直的光束繞著它彎曲,產生透鏡效應。

但是這些影響發生的原因我們無法完全解釋。重力除了是空間的一種特性外,也是一種力(但它是四種力中最弱的),而且它也可能是一種粒子。

一些科學家提出了一種叫做引力子的粒子可以使物體相互吸引。但引力子從未被觀測到。另一種觀點是,引力波是在物體受到外力加速時產生的,引力波已經檢測到。

我們對引力的理解在非常小和非常大的層面上都崩潰了:在原子和分子的層面上,引力停止了工作。我們無法描述黑洞的內部以及大爆炸的瞬間,除非數學完全崩潰。

重力如何工作的二維動畫

最後

最主要的問題是,我們對粒子物理和重力幾何的理解是不完整的。

從基本上哲學上理解為什麼事物會下降,到伽利略開始逐漸開始對事物的數學描述,到克卜勒方程式描述行星運動,到牛頓的物理定律的形成,再到愛因斯坦的相對論,我們一直在構建和建立更全面的引力觀。

但我們還沒有完成,我們知道,仍然需要某種方法來把量子力學和引力結合起來,並能夠寫出描述黑洞中心和宇宙最早時刻的方程。但我們還沒到那一步。

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