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宇宙秩序规则:引力,到底是怎么产生的?是时空弯曲还是引力子?

宇宙秩序规则的缔造者-引力,这个定义似乎没错,因为在我们观测到的所有天体的运行,无一不遵循引力的规则,那么真实我们这个宇宙的“上帝”?其实未必,因为物质世界规则缔造者有四个,而引力只是其中一个而已。

一、物质世界的主导

物质世界有四种基本作用力,分别是引力、电磁力、强相互作用力和若相互作用力,它们应对的范围各不相同,在各自的岗位上各司其职。

  • 在天体层面上主导的的引力

  • 在分子和原子的尺度下主导的是电磁力

  • 在原子核和强子的尺度,主导的是强作用力

  • 在轻子和夸克的尺度内,主导的是弱项作用力

当然引力可囊括一切,这理解并没有错,但在微观尺度下,引力的作用基本是可以忽略的。犹如强龙不压地头蛇,在微观世界中的界限划分可是很清楚的。

我们的物质世界有起到砖块作用的费米子和粘合作用的玻色子组成,尽管在粒子模型中名字各异,但都可以归类到这个大类里,比在带电粒子之间传递电磁力的是光子,夸克间起到粘合作用的是胶子,而弱相互作用则是又由W和Z玻色子传递!

基本作用力的传递说完了?对,说完了!

为什么只说了三个,传递引力的引力子呢?被吃掉了吗?实在抱歉种花家根本吃不了引力子,但也不能凭空创造出一个引力子,至少在现在,它还没有在标准粒子模型中出现的资格,因此对广义相对论的量子化道路上仍然很漫长哦。介绍引力,我们还是得从牛顿经典力学开始!

预测中的引力子,我们祝愿物理学家早日找到。

二、从牛顿的万有引力到爱因斯坦的广义相对论

听说牛顿被苹果砸到了才发现了万有引力,当然这个桥段你可以继续当故事讲给你家小朋友听,但却不合适在正式场合引用,除非你打算活跃一下气氛!他发现万有引力定律是因为哥白尼的日心说,以及开普勒的行星三大定律给他架好了梯子,所以牛顿才会说“他站在巨人的肩膀上”,尽管他现实中毫不客气,比如他就仗着英国皇家学会会长的权利摆了莱布尼兹一道。

当然我们今天并非是莱布尼兹抱不平,因为微积分思想、方法与符号的都是莱布尼兹的。我们讨论万有引力,现在理解起来很简单,如上图,无论天体质量大小如何,它们之间的引力都是相等的,这与它们之间的质量之积成正比,与它们距离的平方成反比,当然还有一个万有引力常数,直到牛顿去世都还没测出G的值是多大,但在70年后卡文迪许巧妙的用扭称解决了这个难题。自此万有引力定理大行其道,天体间所有行为都可以以此为基础展开计算。

万有引力的尴尬

是什么传递了万有引力?因为在牛顿时代对力理解是力的传递必须要有一种介质,会是哪种介质呢?真空肯定不能传递力,因此可爱的牛顿勋爵“盗用”了亚历山多德“以太”的概念,他认为宇宙中充满了看不见的“以太”传递了万有引力!

经典力学“以太梦”的破灭

牛顿成功的将万有引力的传递媒介给粗暴的解释了,但他管杀不管埋,“以太”这种物质就只能让后人来寻找了,但这个“以太”的概念困扰了西方科学界数百年,直到一个经典的、足以验证“以太”的物理实验展开,但它验证的却不是“以太”存在,而是从根本上否定了以太。

迈克尔逊-莫雷实验

其实迈克尔逊-莫雷实验很单纯,受到经典力学的影响,当时的科学界认为光的传播介质也是“以太”,那么问题来了,地球环绕太阳公转速度30千米/秒,那么肯定会有“以太风”,而光在以太风传播肯定会受到影响。

迈克尔逊-莫雷实验装置

但原本证明以太的实验却否定了以太,这让牛顿情何以堪呢?幸亏在迈克尔逊-莫雷实验之时已经是1887年,此时距离牛顿去世已经将近160年,要不然让牛顿老脸往哪儿搁啊!其实这还有个故事,尽管迈克尔逊-莫雷实验否定了以太的存在,但当时莫雷并不相信自己验证的结果,而是反复与米勒设置改进后的实验环境,试图找出问题所在,而且各路人马也加进了验证实验的大军。

设备越来越先进,条件越来越苛刻,最终结果却逐渐趋向于测量误差。当然现代实验准确无误的推翻了上述各种结论,但在此之前洛伦兹等科学家早已认为所谓的以太速度不过就是误差而已。

水星进动-屋漏偏逢连夜雨的牛顿经典力学

牛顿经典力学就像一艘到处破了洞却还在大海上行驶的船,以太这个大洞还没补上,却又破了一个水星进动的大洞,其实准确的说,水近日点进动这个大洞还破的更早一些!

在万有引力的理想状态下,行星在围绕恒星公转时,比如一颗恒星与一颗行星的条件下,行星的轨道会是一个永远都不会改变的椭圆但稳定的轨道,但当这个恒星系有其他行星时,会受到各种干扰,产生进动,如上图,这种轨道进动是可以被观测和计算的。但1859年法国天文学家勒维耶发现水星的实际轨道进动与预期的并不十分相符,在观测水星轨道的近日点进动时,观测结果与计算结果相违背:

观测结果:5,600.73角秒/100年

计算结果:5,557.62角秒/100年

两者相差43.11角秒(其实勒维耶观测的差异是38角秒),这就是水星近日点进动问题的由来,当时的解释也五花八门,甚至还怀疑水星轨道内还有一个天体。

当然我们现在知道水星进动问题是因为水星偏心率很高,近日点距离太阳很近时在太阳巨大质量导致弯曲时空中运行,它所经过的真正距离与远日点是有差异的。

广义相对论

如果用一句话来概括广义相对论的话,那么用“引力是时空的几何”是最合适的,在这里有一个很关键的名词是时空,广义相对论中认为时空是一个不可分割的整体,空间的几何变化同时会产生时间的变化。广义相对论将宇宙时空这个不可分割的结构看成是一个弯曲的黎曼流形,可以用数学中的黎曼度量来定义这个空间的弯曲。广义相对论认为这个量就是天体引力交互的作用势。

上图是爱因斯坦的引力场方程,当然早期还有一个宇宙常数。这个方程在计算球对称天体引力场的引力与牛顿万有引力公式是相同的,这表示广义相对论可以完美包容牛顿的万有引力,并且还补上牛顿万有引力传递介质“以太”的超级大坑。另外顺带将掉在水星进动迷雾中的一大波天文学家拉了出来。

“宇宙时空的弯曲 =引力场”

美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒对广义相对论的理解可谓是一针见血:“质量告诉时空怎么弯曲。时空告诉质量怎么运动”,不理解广义相对论这完全没有问题,但一定要记得这句话,因为装B的时候到了。

当然爱因斯坦的引力场方程验证理论并不只有水星进动,还有1919年英国天文学家爱丁顿带队验证广义相对论预言的日食光线弯曲,以及后期的观测到引力透镜现象(爱因斯坦环,爱因斯坦十字架),这都在实际观测中验证了爱因斯坦的理论模型。

哈勃太空望远镜观测到的爱因斯坦环,犹如一层“日晕”的效果就是引力透镜效应。

爱因斯坦十字架,看起来像一片苜蓿叶,其实是前景星系的强大引力场,把遥远类星体的光,分裂成了四个单独的图像。

当然这个引力透镜效应也成了确定暗物质分布的有力工具,比如国家天文台舒轶平博士和毛淑德研究员就通过哈勃望远镜合作观测期间选择了背景天体为莱曼alpha发射体的引力透镜来提高暗物质发现的精度,因为背景天体越小,能探测到暗物质子晕的质量就越低,莱曼alpha发射体是大质量恒星系的种子星系,能将灵敏度提高一个数量级左右。

哈勃获得的21个强引力透镜候选者,围绕着前景透镜星系的蓝紫色结构就是背景莱曼alpha发射体的多重像。

三、产生引力的弯曲空间还是引力子?

迄今为止能够验证天体运行理论模型的依然是弯曲空间,当然LIGO在2015年9月14探测到引力波事件只是引力弯曲空间理论上的神补刀而已。而引力子则到现在为止还停留在传递引力的“假设粒子”阶段,对于未来是否会发现“引力子”,这是一个问题,但追求事件背后的本质一直都是人类探索未知世界的原动力,无论未来会验证出什么结果,这都是人类科学的进步。

“宇宙很奇妙,但我们想了解其本质”--星辰大海路上的种花家

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