“變臉”的引力

齊利

引力變臉一：一張彎曲的膜

進(jìn)入20世紀(jì)，人類對自然的認(rèn)識(shí)不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了對引力的新解釋。愛因斯坦用廣義相對論對引力的本質(zhì)作了進(jìn)一步的分析。

當(dāng)一個(gè)蘋果從樹枝上脫落，開始自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，蘋果受到的引力等于重力，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，蘋果的加速度就與質(zhì)量無關(guān)了。把方程兩邊的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量一并約掉，蘋果的加速度就等于蘋果樹所處位置的重力加速度，這就是兩個(gè)不同質(zhì)量的鐵球能夠同時(shí)落地的原因。同樣，月球圍繞地球轉(zhuǎn)，地球圍繞太陽轉(zhuǎn)，這些天體在引力場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也與自身的質(zhì)量無關(guān)。

愛因斯坦意識(shí)到，沒有了質(zhì)量，天體在引力場中的運(yùn)動(dòng)好像根本不是什么動(dòng)力問題，而是幾何問題了。他認(rèn)為，所謂的引力，其實(shí)并不是兩個(gè)物體之間存在著神秘的相互作用，而是時(shí)空本身的幾何屬性。

想通了這個(gè)道理，愛因斯坦提出了著名的廣義相對論。他指出，物質(zhì)或能量的存在，會(huì)扭曲周圍的時(shí)空，質(zhì)量或能量越大，周圍的時(shí)空彎曲程度就越大。這就好比我們在一張橡皮膜上放一個(gè)小鐵球，由于鐵球的存在，它周圍的膜會(huì)凹陷下去，橡皮膜這個(gè)二維的平面就出現(xiàn)了彎曲。原本膜上有一條直線，在膜發(fā)生凹陷后，就變成了一條曲線。

而我們生活在一個(gè)空間和時(shí)間組成的四維時(shí)空中，包括了空間的三個(gè)維度和一個(gè)時(shí)間維度。這樣的時(shí)空發(fā)生彎曲，是我們的直覺不容易理解的。但總的規(guī)律是，物體在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，仍然會(huì)沿著最短的路線運(yùn)動(dòng)，只是我們作為觀察者，感覺物體運(yùn)動(dòng)的軌道變成了曲線。例如，地球繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道看上去是一個(gè)橢圓，但是太陽周圍的時(shí)空已經(jīng)因?yàn)樘栠@個(gè)大家伙的存在而發(fā)生了彎曲。如果我們把彎曲的時(shí)空展開、鋪平，地球繞太陽的軌道就會(huì)變成一條直線。

正是因?yàn)闀r(shí)空發(fā)生了彎曲，所以我們看到了地球繞著太陽運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，就好像是地球受到了太陽的引力作用一樣。在愛因斯坦看來，引力并不是物體之間神秘的超距作用，而是一種時(shí)空彎曲的現(xiàn)象。物質(zhì)決定了時(shí)空的彎曲程度，彎曲的時(shí)空又決定了處于其中的物體會(huì)如何運(yùn)動(dòng)。

引力變臉二：一種“熵力”

廣義相對論對引力的解釋的確很成功，可以解釋各種與引力相關(guān)的自然現(xiàn)象。蘋果落地用廣義相對論也可以準(zhǔn)確地描述。但是，引力還是太奇怪了，自然界中的另外三種力——強(qiáng)力、弱力和電磁力，都可以用描述微觀世界的量子力學(xué)來很好地描述，可是引力卻和量子力學(xué)格格不入。比如，當(dāng)科學(xué)家研究黑洞的中心或者宇宙大爆炸的奇點(diǎn)時(shí)，這些場合的時(shí)空都非常微小，應(yīng)該可以用量子力學(xué)很好地描述。但是這些場合中的物質(zhì)密度又非常非常大，引力非常強(qiáng)，量子力學(xué)無能為力。

引力表現(xiàn)得非常宏觀，天體的運(yùn)動(dòng)符合萬有引力定律。可是如果我們試圖從微觀分析引力的本質(zhì)時(shí)，卻完全做不到。看來，對于引力的本質(zhì)，僅僅用時(shí)空彎曲來解釋，還不那么令人信服。

荷蘭理論物理學(xué)家弗林德提出了自己的新引力理論。他認(rèn)為，引力根本不是一種基本力，它其實(shí)是一種“現(xiàn)象”，或者說，我們可以把它看做是一種“熵力”。是熵增大的趨勢表現(xiàn)出來的一種現(xiàn)象，這才是引力的本質(zhì)！

引力新說：如何用熵力來重新解釋

先讓我們看一看宇宙中的怪獸——黑洞的情況。黑洞引力巨大，甚至連光都逃不出它們的魔爪。每個(gè)黑洞都有自己的邊界——視界，物質(zhì)踏入視界一步，就會(huì)被吸入黑洞，萬劫不復(fù)。從熵的角度看，黑洞吞噬物質(zhì)的過程，顯然是一個(gè)熵增的過程。黑洞吃進(jìn)去的亂七八糟的東西越多，總質(zhì)量就越大，使得黑洞的表面積也增大。因此，黑洞的熵和它的表面積是成正比的。而且，天文學(xué)家可以通過研究黑洞的二維表面，來了解包含了黑洞物質(zhì)在內(nèi)的三維空間的性質(zhì)，三維空間的信息都“記錄”在了二維表面上。

黑洞如此，其他物體也一樣，某一塊空間的全部信息，其實(shí)都反映在包裹這塊空間的表面上。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，物體都有熵增的趨勢，而當(dāng)一個(gè)物體接近了包含著另一個(gè)物體的空間時(shí)，受此影響，空間表面的熵就會(huì)增大，這意味著整個(gè)空間的熵也增大了。

換句話說，物體與物體之間自然而然地有相互靠近的趨勢，因?yàn)檫@樣，它們的熵就會(huì)增大。物體與物體有相互靠近的趨勢，就好像物體與物體之間在相互吸引，就好像它們之間存在一種神秘的、超距的引力！原來引力就是熵力的一種表現(xiàn)而已。

弗林德對熵力進(jìn)行了深入的研究。他發(fā)現(xiàn)，物體或空間的熵是與含有的物質(zhì)多少有關(guān)的，所以質(zhì)量越大的物體，熵也就越大。而熵力的大小反映了物體或空間中熵的變化程度，熵力是和質(zhì)量有關(guān)系的。從這個(gè)角度推導(dǎo)，就會(huì)得到牛頓的萬有引力定律，力與物體的質(zhì)量成正比。這個(gè)力我們可以叫它引力，當(dāng)然現(xiàn)在叫它熵力更準(zhǔn)確。

綜上所述，原來，宇宙中并沒有引力這個(gè)東西……