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宇宙其实没有引力

2018.08.18

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引力对于人类来说,既熟悉又陌生。说它熟悉,是因为从我们身边直至整个宇宙,引力无处不在。小到苹果落地,大至日月星辰的运转,一切都是引力的作用。引力也是科学家们最早开始研究的一种力,牛顿很早就发现了著名的万有引力定律,之后,爱因斯坦的广义相对论把人类对引力的认识推向了高峰。而说它陌生,是因为时至今日,人类依然没有完全认清引力的本质。

你好,这位是引力

一个二十几岁的年轻人坐在苹果树下,思考着是什么让月球绕着地球旋转。这时,苹果树上突然掉下来一只苹果,年轻人恍然大悟:这只苹果没有斜着飞出去,也没有飞向天空,而是竖直落了下来,这是因为地球对苹果有引力!那么,让月球绕着地球旋转而不是飞离的原因,也是因为地球对月球有引力。

这个年轻人就是英国大科学家牛顿,据说他被落下的苹果砸到了脑袋,于是产生灵感,发现了万有引力定律。不管这是真是假,牛顿的确发现了让苹果下落的力与让月球围绕地球旋转的力是同样性质的力,这种力的大小和物体间距离的平方成反比。引力的概念一经提出,立刻取得了巨大的成功,用万有引力定律,牛顿非常完美地解释了各种天体为什么会那样运动,当然他也解释了为什么苹果会落向地面。

但是,牛顿虽然把引力介绍给了全世界,他自己却对引力这个新朋友感到很困惑。最让他感到困扰的是,力是物体对物体的作用,力要通过物体的相互接触或者某种媒介进行传递。可是引力似乎可以无视距离远近,也不需要任何媒介,就可以瞬间在相隔很远的物体之间发生作用,这就是所谓的“超距作用”。隔空一抓,东西就飞过来的场面,应该只能出现在神话故事里面,可是引力却也有这种本领,牛顿觉得这太荒谬了,可是不用引力,又无法解释天体的运动。

为了解释引力的超距作用,牛顿也曾求助于一种神秘物质——以太。由于人们无法想像世界上会存在空无一物的空间,于是构想出来一种叫做以太的物质,它充满了整个宇宙的各个角落,物体之间可以通过以太相互作用。

牛顿假设,越靠近物体的周围,以太的密度就越大,使物体之间的作用就越强烈,这就解释了为什么引力与距离的平方成反比。以太推动一个物体向另一个物体运动,于是我们就看到这两个物体好像在互相吸引。

当然,这都是假设,没有任何实验依据,而且人们后来证明,宇宙中根本就没有以太这种神秘物质,因此牛顿对引力超距作用的解释自然也就不可能是正确的。引力到底是个什么东西,人们依然想不明白。

引力化身弯曲的膜

进入20世纪,人类对自然的认识不断进步,终于出现了对引力的新解释,德国大科学家爱因斯坦用广义相对论,对引力的本质做了进一步的分析。

学习物理的时候我们知道,物体都是有一定质量的。但很少有人会知道,物体其实有两种质量——引力质量和惯性质量。在万有引力定律中,引力同距离的平方成反比,同物体的质量成正比。这里我们提到的质量,其实是物体的引力质量,它反映的是这个物体受到引力作用后,做出反应的强弱程度,质量越大,反应越“强烈”,也就是说,在其它条件不变的情况下,质量越大,引力就越大。

而在牛顿第二定律中,物体的加速度与所受的力成正比,同自身的质量成反比。这里提到的质量,其实是物体的惯性质量,它反映的是这个物体的运动状态是否容易被力改变,质量越大,就越不容易被力改变。换句话说,其它条件不变的情况下,质量越大,加速度越小。

从物理学角度看,惯性质量和引力质量描述的事物是有所区别的。不过在生活中,我们从来不会特意区分这两种质量,因为同一物体的这两个质量是精确相等的。科学家在实验室中用最精密的仪器,也没发现它们有丝毫的差别。

由于引力质量和惯性质量相等,当一个苹果从树枝上脱落,开始自由落体运动时,苹果受到的引力(ma)等于重力(mg),我们会发现,苹果的加速度就与质量无关了(ma=mg),把方程两边的惯性质量和引力质量一并约掉,苹果的加速度就等于苹果树所处位置的重力加速度(a=g)。这就是两个不同质量的铁球能够同时落地的原因,同样,月球围绕地球转,地球围绕太阳转,这些天体在引力场中的运动规律也与自身的质量无关。

爱因斯坦意识到,没有了质量,天体在引力场中的运动好像根本不是什么动力问题,而是一个几何问题了。他认为,所谓的引力,其实并不是两个物体之间存在着神秘的相互作用,而是时空本身的几何属性!

想通了这个道理,爱因斯坦提出了著名的广义相对论,他指出,物质或能量的存在,会扭曲周围的时空,质量或能量越大,周围的时空弯曲的程度就越大。这就好比我们在一张橡皮膜上放一个小铁球,由于铁球的存在,它周围的膜会凹陷下去,橡皮膜这个二维的平面就出现了弯曲。原本膜上有一条直线,在膜发生凹陷后,就变成了一条曲线。

而我们生活在一个空间和时间组成的四维时空中,包括了空间的三个维度和一个时间维度。这样的时空发生弯曲,是我们的直觉不好理解的。但总的规律是,物体在弯曲的时空中运动时,仍然会沿着最短的路线运动,只是我们作为观察者,感觉物体运动的轨道变成了曲线。例如,地球绕太阳运动的轨道看上去是一个椭圆,但是太阳周围的时空已经因为太阳这个大家伙的存在而发生了弯曲,如果我们把弯曲的时空展开、铺平,地球绕太阳的轨道会变成一条直线。

正是因为时空发生了弯曲,所以我们看到了地球绕着太阳运动的现象,就好像是地球受到了太阳的引力作用一样。在爱因斯坦看来,引力并不是物体之间神秘的超距作用,而是一种时空弯曲的现象。物质决定了时空的弯曲程度,弯曲的时空又决定了处于其中的物体会如何运动。

广义相对论取得了巨大的成功,牛顿万有引力定律能解释的现象,它可以解释;一些万有引力定律解释不了的现象,广义相对论依然能够完满解释,例如著名的水星近日点问题。用牛顿引力定律计算的水星的理论位置一直和实际观测位置不符,而改用广义相对论计算后,水星的理论位置和实际观测吻合得很好。

从此,爱因斯坦把引力解释为时空弯曲的观点,受到了科学家们的追捧。但这就是引力的本质了吗?

引力再次大变脸

广义相对论对引力的解释的确很成功,可以解释各种与引力相关的自然现象,苹果落地用广义相对论也可以准确地描述。但是,引力还是太奇怪了,自然界中的另外三种力,强力、弱力和电磁力,都可以用描述微观世界的量子力学来很好地描述,可是引力却和量子力学格格不入。比如,当科学家研究黑洞的中心,或者宇宙大爆炸的奇点时,这些场合的时空都非常微小,应该可以用量子力学很好地描述状态。但是这些场合中的物质密度又非常非常大,引力非常强,量子力学无能为力。

引力表现得非常宏观,天体的运动符合万有引力定律。可是如果我们试图庖丁解牛地从微观分析引力的本质时,却完全做不到。看来,对于引力的本质,仅仅用时空弯曲来解释,还不那么令人信服。

最近,荷兰理论物理学家弗林德提出了自己的新引力理论,他认为,引力根本不是一种基本力,它其实是种“现象”,或者说,我们可以把它看作是一种“熵力”。

要理解这个对引力的新解释,我们首先要了解什么是熵。熵是人们为了描述一个系统的混乱程度而提出的概念。比如,在一个盒子中放了许多红颜色的球,它们的颜色整齐划一,我们说这个盒子里的熵比较低。当我们再向里面放几个白颜色的球后,盒子里球的颜色变得多样了,复杂了,我们说这个盒子里的熵增大了。换句话说,熵越低,一个系统就越有秩序;熵越高,一个系统就越混乱。

物理学中有一个非常重要的热力学第二定律,就是关于熵的:如果没有外界影响,一个系统的熵总是趋向于增大的。这个定律告诉我们,周围的世界总是趋向于混乱的,花瓶只会摔成碎片,而碎片却不会自己组合起来恢复原状;你的屋子如果不整理,就只会越来越乱,而不会自己变整洁。

至于我们人类或者其他生命体,之所以一直能保持有序状态,有细胞、组织、器官和系统,实际上是由于我们要不断从外界吸收能量,维持我们身体的秩序。人死之后,没有了外界能量输入,人体很快腐烂掉,变得更加混乱了,熵增加了。

从物理学上看,热力学第二定律要比牛顿定律或者广义相对论更基础,更贴近于自然规律的本源。

熵和我们探讨的引力有什么关系呢?有时候,在熵增大的趋势下,物体表现出的状态变化看起来就像受到了某种力的作用,我们可以用熵力来描述物体。比如,我们熟悉的气体压力就是一种熵力:一团气体占据的空间越小,它的熵就小,占据的空间越大,它的熵就大。于是,这团气体就趋向于不断膨胀,去占据更大的空间,表现出来就是对外界的气体压力。

再比如,当我们拉长一根橡皮筋的时候,会感受到橡皮筋有往回缩的弹力,而这种弹力也是一种熵力。因为在松弛的状态下,橡皮筋中的橡胶高分子链是杂乱无章地扭曲在一起的,当我们拉长橡皮筋的时候,就是在给橡皮筋一个外界的力量,使得橡胶高分子链整齐地排列起来了,更有秩序了。由于橡皮筋有趋向于恢复到杂乱无章状态的熵增的趋势,它就试图缩回去,表现出来就是我们手感觉到的弹力,它对抗着我们手的拉力。

引力的真相在果壳里

弗林德认为,引力的本质和气体压力、橡皮筋的弹力一样,并不是物体与物体的相互作用,也不是空间弯曲的现象,而是熵力的一种,是熵增大的趋势表现出来的一种现象,这才是引力的本质!

那么,对于两个物体之间神秘的引力,如何用熵力来重新解释呢?

先让我们看一看宇宙中的怪兽——黑洞的情况。黑洞引力巨大,甚至连光都逃不出它们的魔爪。每个黑洞都有自己的边界——视界,物质踏入视界一步,就会被吸入黑洞,万劫不复了。从熵的角度看,黑洞吞噬物质的过程,显然是一个熵增的过程,黑洞吃进去的乱七八糟的东西越多,总质量就越大,使得黑洞的表面积也增大。于是,黑洞的熵和它的表面积是成正比的。而且,天文学家可以通过研究黑洞的二维表面,来了解包含了黑洞物质在内的三维空间的性质,三维空间的信息都“记录”在了二维表面上。

黑洞如此,其它物体也一样,某一块空间的全部信息,其实都反映在包裹这块空间的表面上。根据热力学第二定律,物体都有熵增的趋势,而当一个物体接近一块包含着另一个物体的空间时,受此影响,空间表面的熵就会增大,这意味着整个空间的熵也增大了。

换句话说,物体与物体之间自然而然地有相互靠近的趋势,因为这样它们的熵就会增大。物体与物体有相互靠近的趋势,就好像物体与物体之间在相互吸引,就好像它们之间存在一种神秘的、超距的引力!啊,原来引力就是熵力的一种表现而已。

弗林德对熵力进行了深入的研究。他发现,物体或空间的熵是与含有的物质多少有关的,所以质量越大的物体,熵也就越多。而熵力的大小反映了物体或空间中熵的变化程度,熵力是和质量有关系的,从这个角度推导,就会得到牛顿的万有引力定律,力与物体的质量成正比。这个力我们可以叫它引力,当然现在叫它熵力更准确。

同样,爱因斯坦的引力方程也可以用熵力推导出来。弗林德并没有宣布广义相对论和万有引力定律是错误的,他只是把这两个理论当作了两种现象,而现象背后的真正主宰——热力学第二定律才是物理世界的本质,也是引力的本质。宇宙中并没有引力这个东西。

其实按照弗林德的理论,不仅引力不再是一种实实在在的基本力,像我们中学课本上出现的惯性、质量这些概念,也都不再是物体的本质属性了,它们都是一些宏观的现象,而制造这些现象的大导演,就是熵力。不仅引力是一种现象,连空间弯曲也是一种现象,而驱动宇宙运转的本源可能是热力学第二定律和熵力。

世界就像是坚果,被果壳层层包裹了起来,引力、质量、惯性都被隐藏在果壳之中,科学家正在剥开一层又一层的表面现象,逐渐接近了果壳里的真相。

水星的近日点问题:

水星绕日运动的椭圆轨道是缓慢变动的,水星距离太阳最近的点——近日点,也在随之转动。实际观测发现,同根据万有引力定律算得的理论位置相比,水星近日点的实际位置每100年多转动了0.63度的角度。牛顿的万有引力定律无法解释这个现象。

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