引力的故事：GRAVITATION從亞里士多德到愛(ài)因斯坦

謝懿

升上去的必定會(huì)掉下來(lái)。但其背后的原因讓人類最偉大的頭腦苦思冥想了好幾個(gè)世紀(jì)，至今，引力的許多方面仍是個(gè)謎。

宇宙中有4種基本作用力：強(qiáng)核力、弱核力、電磁力和引力。在它們中，引力最為明顯，但也是最難破解的謎題。

古希臘人認(rèn)為，引力是元素的特性。亞里士多德描述了土和水具有引力的原因，它們會(huì)傾向于朝宇宙的中心（地球）運(yùn)動(dòng)，即下落。他認(rèn)為，由于空氣和火較輕，于是它們會(huì)朝遠(yuǎn)離中心的方向運(yùn)動(dòng)，即上升。但是這些趨勢(shì)只存在于不完美的月下世界。在古希臘的世界觀中，月亮之上的一切都屈從第五元素——精質(zhì)，它可以讓天體不受干擾地旋轉(zhuǎn)。

要理解亞里士多德的觀點(diǎn)，我們需要忘記所有在高中學(xué)的物理。引力不是一種力，只是描述土和水的基本性質(zhì)。就像追逐貓是狗的天性一樣，朝向宇宙中心運(yùn)動(dòng)也是土和水的“天性”。雖然對(duì)引力的認(rèn)識(shí)不斷深入，但在2000年的時(shí)間里很少有人真正向亞里士多德的理論發(fā)起過(guò)挑戰(zhàn)。

腳踏實(shí)地

公元7世紀(jì)的印度數(shù)學(xué)家婆羅摩笈多和公元10世紀(jì)的伊斯蘭學(xué)者阿爾伯魯尼則認(rèn)為，引力的機(jī)理類似于磁鐵，但這都不足以撼動(dòng)亞里士多德的“霸主”地位。它的第一個(gè)危機(jī)來(lái)自哥白尼和伽利略所引發(fā)的對(duì)太陽(yáng)系認(rèn)識(shí)的變革。如果他們是正確的——太陽(yáng)是宇宙的中心，地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，亞里士多德的引力理論就會(huì)土崩瓦解。基于推理而不是觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)，亞里士多德的觀點(diǎn)需要把地球置于宇宙的中心。如果太陽(yáng)取而代之成為中心，所有的重物都會(huì)因此飛進(jìn)太空。

更重要的是，亞里士多德的引力理論會(huì)使得重物下落得比光還快。由于包含更多的物質(zhì)，因此重物會(huì)具有更強(qiáng)的趨勢(shì)朝向宇宙中心運(yùn)動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)更快。亞里士多德認(rèn)為這是事實(shí)，但伽利略并不同意這一觀點(diǎn)。他提出了一個(gè)問(wèn)題，如果你把兩個(gè)不同重量的物體用繩子綁在一起會(huì)發(fā)生什么？根據(jù)亞里士多德的觀點(diǎn)，較重的物體下降的速度較快，其下落的速度會(huì)超過(guò)較輕的物體；因?yàn)槔K子的拉力，較輕的物體會(huì)使得較重的物體減速，最終它們整體的下落速度會(huì)介于兩者之間。然而，作為一個(gè)整體，其總重量要超過(guò)構(gòu)成它的任何一個(gè)物體，因此也會(huì)下落得更快。這兩個(gè)結(jié)論完全相互矛盾。

雖然伽利略幾乎可以肯定沒(méi)有如傳說(shuō)的那樣在比薩斜塔上通過(guò)自由落體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物體會(huì)同時(shí)落地，但他確實(shí)用由軟木和鉛所做的擺錘做過(guò)單擺實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為，鉛的重量超過(guò)軟木錘100多倍。伽利略的實(shí)驗(yàn)顯示，它們擺動(dòng)的速率相同，因此受引力作用下落的速度也相同。他還在斜面上通過(guò)滾落球體來(lái)測(cè)量引力的效應(yīng)。伽利略明確地指出是“吸引力”讓物體落向地球。

把引力納入科學(xué)和數(shù)學(xué)框架之下的是牛頓。目前還不清楚他是否真的是因?yàn)榭吹?/p>

蘋果下落而受到啟發(fā)，但他自己是這么說(shuō)的。1726年4月，在與考古學(xué)家威廉· 斯蒂克利（William Stukeley）的長(zhǎng)談中，牛頓說(shuō)是一個(gè)蘋果的下落讓他思考為什么蘋果總是垂直落地。

根據(jù)斯蒂克利的說(shuō)法，牛頓認(rèn)為蘋果是被地球的“吸力”所牽引的，而這一作用力必定正比于質(zhì)量。蘋果會(huì)吸引地球，地球也會(huì)吸引蘋果。但還不止于此，牛頓提出了“萬(wàn)有引力”的概念，這是一次飛躍。他打破了亞里士多德的月球屏障，讓這個(gè)相同的作用力存在于整個(gè)宇宙。他意識(shí)到是引力在維持行星沿軌道繞行，否則它們就會(huì)沿一條直線飛出去。

所有這一切以及其他的內(nèi)容都一同寫進(jìn)了牛頓的杰作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中。這本書通常也簡(jiǎn)稱為《原理》，用拉丁文寫成，不容易閱讀，還使用了遠(yuǎn)超一般水平的幾何知識(shí)。它對(duì)引力的關(guān)鍵認(rèn)識(shí)可以概括成一句話：引力的強(qiáng)度正比于物體的質(zhì)量，反比于物體間距離的平方。對(duì)牛頓而言，他的引力定律和運(yùn)動(dòng)定律足以用來(lái)描述行星和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)以及物體的下落。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)偉大的勝利。

不過(guò)，牛頓也留下了一個(gè)空缺——引力在遙遠(yuǎn)的距離上是如何作用的？他在《原理》中寫道：“我對(duì)此沒(méi)有任何假說(shuō)。”牛頓暗示，他的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手會(huì)就此挑事。不過(guò)，這一解釋上的空缺仍使得牛頓受到了攻擊，特別是對(duì)他“吸引力”一詞的使用。今天，我們會(huì)很自然地用“吸引力”來(lái)稱呼或者描述引力，但這在當(dāng)時(shí)僅僅是出于浪漫上的意義。對(duì)17世紀(jì)的人來(lái)說(shuō)，“吸引力”聽(tīng)上去就好像地球是因?yàn)槟撤N曖昧而圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的。

牛頓的工作并不孤立。例如，他偉大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手羅伯特·胡克（Robert Hooke）曾提出，引力呈“平方反比定律”，會(huì)隨著距離平方而減弱，但胡克一直無(wú)法成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)來(lái)支持他的觀點(diǎn)，是牛頓建立起了整個(gè)恢宏的體系。

解釋引力

對(duì)于引力是如何作用的，牛頓確實(shí)有一些自己的想法。和許多人一樣，他懷疑空間中充滿一種不可見(jiàn)的物質(zhì)，它們可以傳遞引力。隨著時(shí)間的變遷， 這一引力的力學(xué)模型變得日益復(fù)雜。最為流行的是由瑞士物理學(xué)家尼古拉· 法蒂奧·德迪（Nicolas Fatio deDuillier）和喬治-路易·勒薩熱（George-Louis Le Sage）各自獨(dú)立提出的觀點(diǎn)，認(rèn)為空間中充滿了不可見(jiàn)的微小粒子，它們會(huì)從四面八方不斷地撞擊物體。當(dāng)有東西出現(xiàn)在地球的運(yùn)動(dòng)軌跡上時(shí)，地球會(huì)遮擋從它所在的方向飛來(lái)的粒子，其余

粒子會(huì)把這個(gè)物體推向地球。

這聽(tīng)上去實(shí)在太不可思議了。但直到愛(ài)因斯坦出現(xiàn)，人類才對(duì)引力有了更好的認(rèn)識(shí)。在1905年后，他對(duì)引力有了突 破性的想法，寫了3篇改變物理學(xué)的論文。在這些論文中，他佐證了原子的存在、奠定了量子理論的基礎(chǔ)（為他贏得了諾貝爾獎(jiǎng)）并提出了狹義相對(duì)論。在狹義相對(duì)論中，看似固定的物理量，例如質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間，都

會(huì)隨著你的視角改變而發(fā)生變化。

兩年后，愛(ài)因斯坦坐在瑞士伯爾尼的專利局里，有了他自己所說(shuō)的最快樂(lè)的想法。愛(ài)因斯坦后來(lái)說(shuō)：“突然之間，我產(chǎn)生了一個(gè)念頭，如果一個(gè)人自由下落，他不會(huì)感覺(jué)到自己的體重。我吃了一驚。這個(gè)簡(jiǎn)單的想法給我留下了深刻的印象。它促使我去追尋一個(gè)有關(guān)引力的理論。”

引力和光

愛(ài)因斯坦所意識(shí)到的是，引力和加速度是等效的，并沒(méi)有什么區(qū)別。例如，如果你在一艘沒(méi)有窗戶的飛船中發(fā)現(xiàn)自己受到了能產(chǎn)生9.8米/ 秒2加速度的拉力，那么有兩種可能的解釋：你可能仍靜止在地球的表面，或者你的飛船正在以9.8米/ 秒2的加速度飛行。你的儀器無(wú)法區(qū)分這兩者的差異。但是，如果真是這樣，那它將會(huì)告訴我們一些有關(guān)引力的奇怪性質(zhì)。

如果我們想象一束光穿過(guò)了正在加速的飛船，這光束會(huì)由于飛船在運(yùn)動(dòng)而看上去朝某個(gè)方向彎曲。但由于加速度和引力是等價(jià)的，那么在引力場(chǎng)中同樣的光束也會(huì)發(fā)生彎曲。愛(ài)因斯坦意識(shí)到引力會(huì)彎曲空間。一個(gè)大質(zhì)量天體附近扭曲的空間會(huì)使得本該沿直線運(yùn)動(dòng)的任何東西都改走曲線。行星的軌道如此，光也是如此。事實(shí)上，他的發(fā)現(xiàn)其實(shí)比這還要詭異。雖然彎曲的空間可以解釋行星的軌道，但它并沒(méi)有告訴我們?yōu)槭裁刺O果會(huì)下落。對(duì)物體而言沒(méi)有理由會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。這其實(shí)是大質(zhì)量的物體彎曲了周圍的時(shí)空，進(jìn)而使得物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。時(shí)空這一概念源于狹義相對(duì)論，將時(shí)間和空間視為一個(gè)整體。用來(lái)描述這一切的數(shù)學(xué)極為復(fù)雜，即便是愛(ài)因斯坦也不得不尋求幫

助，但原理很簡(jiǎn)單。

愛(ài)因斯坦為牛頓的理論建立了一個(gè)框架，使之可以奏效。更重要的是，愛(ài)因斯坦所提出的這個(gè)理論，即廣義相對(duì)論，做出了一些有別于牛頓理論的預(yù)言，而實(shí)驗(yàn)則已經(jīng)證明廣義相對(duì)論與現(xiàn)實(shí)相符。

從許多方面來(lái)看，有關(guān)引力的理論似乎已經(jīng)完整了。愛(ài)因斯坦的理論能被用來(lái)預(yù)言一切，從黑洞的存在到宇宙隨時(shí)間的演化。但在我們的認(rèn)識(shí)中仍有一片巨大的空白。除了引力之外，自然界其他所有的作用力都可以被量子化。這意味著，它們并非是連續(xù)的，具有最小的單元，被稱為量子。由此，也應(yīng)該存在一個(gè)引力的量子理論，但至今還沒(méi)有建立起這樣一個(gè)理論。有一段時(shí)間，弦理論看上去似乎可以為此提供答案，但有越來(lái)越多的科學(xué)家擔(dān)心，這個(gè)完全由數(shù)學(xué)所驅(qū)動(dòng)的概念永遠(yuǎn)也無(wú)法做出有用的預(yù)言，而其他的理論——例如圈量子引力理論——?jiǎng)t日益興盛。

引力和我們

我們對(duì)引力的現(xiàn)代認(rèn)知表明，它的重要性遠(yuǎn)超古人的預(yù)計(jì)。引力不僅讓物體留在地面上，也使得旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃云坍縮成了太陽(yáng)系。是引力和量子效應(yīng)一起使得太陽(yáng)核心發(fā)生核聚變，產(chǎn)生光和熱，進(jìn)而賦予了我們生命。

在太空中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)甚至表明，對(duì)生命而言，引力是必不可少的東西。沒(méi)有引力，植物的根系很難生長(zhǎng)。在國(guó)際空間站上的一個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，鳥類的蛋需要在有引力的環(huán)境中才會(huì)發(fā)育。在低重力環(huán)境下，人的骨質(zhì)和肌肉都會(huì)流失，肺部則會(huì)遭受因其他器官上移而導(dǎo)致的壓迫，整個(gè)人的健康狀況會(huì)由此出現(xiàn)惡化。

引力仍然留守著一些不為我們所知的秘密。例如，我們不知道，為什么它會(huì)比其他的作用力弱得多。如果你懷疑這一點(diǎn)，可以試著用電磁力和它進(jìn)行比較：一塊小小的磁鐵就能戰(zhàn)勝整個(gè)地球所產(chǎn)生的引力，吸起一枚回形針。我們也還不知道如何把引力納入量子力學(xué)的框架。但得益于牛頓和愛(ài)因斯坦的工作，這一基本作用力已不再完全是一個(gè)謎。

延伸閱讀

關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)

1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論時(shí)引起了轟動(dòng)，但直到4年后才第一次觀測(cè)到了它的實(shí)際效應(yīng)。

廣義相對(duì)論的預(yù)言在很大程度上與牛頓的理論相同，但最明顯的區(qū)別在于引力對(duì)光路徑的彎曲程度。當(dāng)光從太陽(yáng)表面附近經(jīng)過(guò)時(shí)，根據(jù)廣義相對(duì)論，其路徑會(huì)向內(nèi)彎曲，使得恒星的視位置發(fā)生偏移。這一現(xiàn)象只有在太陽(yáng)光被完全遮擋住的時(shí)候才能被看見(jiàn)。

1919年，阿瑟·愛(ài)丁頓率領(lǐng)一支遠(yuǎn)征隊(duì)前往西非的普林西比島，以便在5月29日發(fā)生的日全食期間對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。那天早晨天空布滿了厚厚的云層，還下起了雨，一直持續(xù)到中午。日全食從14時(shí)13分左右開(kāi)始，希望似乎很渺茫。愛(ài)丁頓回憶說(shuō)：“我們必須對(duì)拍攝照片充滿信念。我并沒(méi)有觀看這次日食，因?yàn)槊χ鼡Q底片，除了瞟了一眼確保日食已經(jīng)開(kāi)始，另外又在中途看了一眼天空中有多少云。我們拍攝了16 張照片。”但很多圖像上沒(méi)有清晰地顯示出恒星，最后只有兩張可以用的底片。然而，愛(ài)丁頓使用另一支前往巴西索布拉爾的遠(yuǎn)征隊(duì)所提供的更多信息，證實(shí)了廣義相對(duì)論的預(yù)言，讓愛(ài)因斯坦聲名鵲起。

諷刺的是， 后續(xù)的研究顯示，愛(ài)丁頓使用的數(shù)據(jù)可能并不具有足夠的測(cè)量精度來(lái)證明廣義相對(duì)論。不過(guò)自那以后，有大量的數(shù)據(jù)可以堅(jiān)如磐石地證明愛(ài)因斯坦的預(yù)言。

關(guān)鍵角色

在塑造我們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)的過(guò)程中，有5個(gè)偉大的人物。

亞里士多德（公元前384年—公元前322年）

古希臘哲學(xué)家， 他建立了科學(xué)的基本要素。但遺憾的是，他的理論——基于推理，而非觀測(cè)——幾乎完全是誤導(dǎo)。亞里士多德認(rèn)為，引力是重物尋求前往宇宙中心的一種傾向。

伽利略（1564年—1642年）

這位來(lái)自意大利比薩的自然哲學(xué)家相信實(shí)驗(yàn)的重要性，并以此推翻了亞里士多德關(guān)于引力的觀點(diǎn)。雖然因試圖推動(dòng)哥白尼的太陽(yáng)系模型而聞名，但伽利略的最大貢獻(xiàn)在于他對(duì)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)以及引力效應(yīng)的系統(tǒng)研究。

牛頓（1643年—1727年）

英國(guó)最偉大的物理學(xué)家。他有許多研究是在林肯郡的家中躲避瘟疫時(shí)所做的，但他有關(guān)光、運(yùn)動(dòng)、引力和微積分的大部分工作都是在劍橋大學(xué)完成的。他后來(lái)成了議員、造幣廠主管和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)長(zhǎng)，不過(guò)物理學(xué)仍然是他最重要的成就。

愛(ài)因斯坦（1879年—1955年）

愛(ài)因斯坦出生在德國(guó)烏爾姆， 從十幾歲時(shí)起成為瑞士公民。1905年，還在專利局工作的他完成了3 篇論文，證明原子真實(shí)存在，奠定了量子理論的基礎(chǔ)并建立了狹義相對(duì)論。他于1915 年提出的廣義相對(duì)論依然是目前有關(guān)引力的標(biāo)準(zhǔn)理論。

阿瑟·愛(ài)丁頓（1882年—1944年）

愛(ài)丁頓出生于英國(guó)肯德?tīng)枺莿虼髮W(xué)的天文學(xué)家和天體物理學(xué)家。據(jù)說(shuō)當(dāng)被問(wèn)及世界上是否真的只有3個(gè)人懂廣義相對(duì)論時(shí)，愛(ài)丁 頓反問(wèn)：“第三個(gè)人是誰(shuí)？”

時(shí)間線

在探索引力本質(zhì)的道路上，有6個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

公元前350年

亞里士多德在其著作《自然哲學(xué)》中描述了他對(duì)自然現(xiàn)象和物體運(yùn)動(dòng)的理論，這其中就包含了引力。

1638年

在他的最后一本書《論兩種新科學(xué)及其數(shù)學(xué)演化》中，伽利略描述了他對(duì)引力的看法。

1687年

牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版，其中闡述了他的引力理論以及著名的運(yùn)動(dòng)定律。

1907年

坐在瑞士伯爾尼專利局的辦公室里，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了“等效原理”，指出引力和加速度無(wú)法被區(qū)分。

1915年

愛(ài)因斯坦發(fā)表了一系列關(guān)于廣義相對(duì)論的論文，將引力描述成大質(zhì)量物體所造成的時(shí)空彎曲。

1919年

愛(ài)丁頓在普林西比島上日全食期間發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)附近恒星的位置存在偏移，由此證實(shí)了廣義相對(duì)論。

知識(shí)要點(diǎn)

討論引力性質(zhì)時(shí)必需的幾個(gè)概念：

1.基本作用力

自然界有4種基本作用力：引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力。它們可以解釋所有的相互作用。

2. 平方反比定律

它描述了引力強(qiáng)度和物體間距離的關(guān)系。例如， 如果把兩個(gè)物體之間的距離擴(kuò)大 倍，引力的大小就會(huì)減少到之前的1/4。

3. 質(zhì)量

由牛頓引入的、描述物質(zhì)多少的量。一個(gè)物體的質(zhì)量決定了它所產(chǎn)生的引力強(qiáng)弱，它不會(huì)隨著該物體的位置改變而發(fā)生變化。

4. 相對(duì)性

伽利略發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。如果我們和另一個(gè)物體以相同的速度運(yùn)動(dòng)，那么我們相對(duì)于它是靜止的。在狹義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦拓展了這個(gè)想法，加入了光速不變效應(yīng)；而他的廣義相對(duì)論則把引力和加速度也納入其中。

檔案

編號(hào)：No.114

日期：2007年3月31日

地點(diǎn)：雷東多海灘，加利福尼亞，美國(guó)

持續(xù)時(shí)間：15秒

飛行物形狀：草帽形

飛行物顏色：銀白色

目擊人數(shù)：1人

備注：

目擊者說(shuō)，當(dāng)時(shí)天氣很好，能見(jiàn)度近15千米。他看到這個(gè)銀白色的飛行物體徘徊在雷東多海灘碼頭，便順手拍了這張照片。目擊者表示，這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度與噴氣機(jī)速度相似，在空中盤旋了大約5秒后停了下來(lái)。他就在這個(gè)時(shí)候拍到了照片。約2秒后，該物體向南方飛去，消失在碼頭背后。