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5個關(guān)于引力的重要事實

2018-01-24 18:22樸語林
大科技·科學(xué)之謎 2017年12期
關(guān)鍵詞:作用力引力波引力

樸語林

我們平時很少去考慮引力,也許在冰面上滑倒或在樓梯上絆倒時,我們才會想到它。對于許多古代思想家來說,引力更是不被看作一種力——它只不過是使物體朝著地球中心落下的一種自然傾向,而行星等天空深處的物體卻不受影響。

當(dāng)然,我們現(xiàn)在知道引力能做的事情可不只是讓我們摔倒。例如,它控制著行星繞太陽的運動,能把星系結(jié)合在一起,還決定著宇宙的基本結(jié)構(gòu)。我們還把引力與電磁力、弱核力和強核力一起看作是自然界中四種基本作用力。

今天,我們?nèi)匀粵]有掌握關(guān)于引力的一切,包括它如何與其他作用力協(xié)調(diào)在一起。但在這里,有5個我們所知道的關(guān)于引力的重要事實。

① 引力是我們所知道的最弱的力

靜電力有吸引力也有排斥力,但引力只會吸引,并沒有排斥版本的力,而且作用范圍沒有距離的限制。盡管引力強大到足以使星系成為一體,但是它是如此之弱,你每天都可以戰(zhàn)勝它——你拿起一本書,你就成功地抵消了地球?qū)囊Α?/p>

與其他作用力相比,引力實在是太弱了。例如,原子內(nèi)一個質(zhì)子和一個電子之間的電磁力,大約是它們之間引力的1030倍。事實上,引力太弱了,以至于物理學(xué)家都不知道它究竟弱到了什么程度。

② 引力會產(chǎn)生能以光速傳播的波

廣義相對論預(yù)言出了引力波。如果兩顆恒星、中子星或黑洞互相繞著對方旋轉(zhuǎn),那么它們就會輻射出引力波。引力波攜帶能量,這樣兩顆星體就會因損失能量而彼此靠近。事實上,地球繞著太陽時也會輻射出引力波,但損失的能量實在是微不足道。

之前,我們只是有一些間接證據(jù)證明引力波的存在。而最近,美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)直接檢測到了引力波。探測到的引力波是兩個黑洞在10多億年前合并時產(chǎn)生的。

廣義相對論認(rèn)為,引力波的傳播速度為光速。如果太陽發(fā)生的劇烈變化,產(chǎn)生的引力波,會從發(fā)生地點以光速傳播出去。比如說,如果太陽突然發(fā)生坍縮,其產(chǎn)生的影響會在8分鐘后才到達(dá)地球。

③ 為解釋微觀世界的引力,物理學(xué)家

開始迷戀圈和弦

大自然中其他三個基本作用力,可以用描述微觀尺度的量子理論來分析,具體地說,這個量子理論叫做標(biāo)準(zhǔn)模型。然而,我們?nèi)匀粵]有一個完善的理論,來解釋微觀下的量子引力,盡管物理學(xué)家正在嘗試尋找中。

一種量子引力理論的候選者,叫做圈量子引力論,它使用了來自量子物理學(xué)中的技術(shù)來描述時空的結(jié)構(gòu)。它提出時空在最微小的尺度上是由一塊塊分散的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,與物質(zhì)是由一堆粒子構(gòu)成的類似。物質(zhì)只能在類似柔軟網(wǎng)格的時空結(jié)構(gòu)中,從一點跳到另一點。在這種假設(shè)下,圈量子引力論可有效地描述遠(yuǎn)小于原子尺寸的空間中引力的性質(zhì)。

另一個著名的量子引力理論候選者,就是弦理論。它認(rèn)為粒子都是振動著的微小的弦。但不管是圈量子引力論、弦理論還是其他的理論,目前都無法提供微觀世界下引力的可檢測的細(xì)節(jié)。

④ 可能存在傳遞引力的粒子

在標(biāo)準(zhǔn)模型中,粒子之間的作用力,都是借助其他粒子進行傳遞的,例如傳遞電磁力的粒子就是光子。在量子引力理論中,傳遞引力的粒子被稱為引力子。

目前,我們還無法確定引力子是否真的存在。不過,我們可以根據(jù)一些量子引力理論,推測出引力子的一些性質(zhì)。例如,如果引力子有質(zhì)量,實驗人員可能早就會發(fā)現(xiàn)一些蛛絲馬跡,因此它們可能應(yīng)該與光子一樣是沒有質(zhì)量的,但仍不能排除它們會具有非常微小的質(zhì)量。

⑤ 量子引力在最小尺度下現(xiàn)身

引力很弱,但當(dāng)兩個物體靠近時,它就會變強。在普朗克尺度(約為1.62×10-33厘米,理論上宇宙中可檢測到的最小長度)下,引力最終會趕上其他作用力,強度變得與其他的力差不多。這意味著量子引力可能會強大到足以被檢測的地步,但是普朗克尺度太小了,當(dāng)前實驗技術(shù)很難觸及到這個地方。

也有一些理論認(rèn)為,量子引力在靠近毫米尺度時就能顯現(xiàn),但是我們還沒有檢測到這種影響。其他人正使用更具創(chuàng)造性的辦法,來放大量子引力效應(yīng),例如檢測超冷溫度下的原子集合,或檢測巨大的金屬條的振動等。

看來,從最小的尺度到最大的尺度,引力都吸引著科學(xué)家的注意。當(dāng)你下次摔倒時,可以想想引力的這些方面,也許會感到一絲安慰。endprint

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