引力的故事：GRAVITATION从亚里士多德到爱因斯坦

2015-09-10谢懿

飞碟探索 2015年4期

谢懿

升上去的必定会掉下来。但其背后的原因让人类最伟大的头脑苦思冥想了好几个世纪，至今，引力的许多方面仍是个谜。

宇宙中有4种基本作用力：强核力、弱核力、电磁力和引力。在它们中，引力最为明显，但也是最难破解的谜题。

古希腊人认为，引力是元素的特性。亚里士多德描述了土和水具有引力的原因，它们会倾向于朝宇宙的中心（地球）运动，即下落。他认为，由于空气和火较轻，于是它们会朝远离中心的方向运动，即上升。但是这些趋势只存在于不完美的月下世界。在古希腊的世界观中，月亮之上的一切都屈从第五元素——精质，它可以让天体不受干扰地旋转。

要理解亚里士多德的观点，我们需要忘记所有在高中学的物理。引力不是一种力，只是描述土和水的基本性质。就像追逐猫是狗的天性一样，朝向宇宙中心运动也是土和水的“天性”。虽然对引力的认识不断深入，但在2000年的时间里很少有人真正向亚里士多德的理论发起过挑战。

脚踏实地

公元7世纪的印度数学家婆罗摩笈多和公元10世纪的伊斯兰学者阿尔伯鲁尼则认为，引力的机理类似于磁铁，但这都不足以撼动亚里士多德的“霸主”地位。它的第一个危机来自哥白尼和伽利略所引发的对太阳系认识的变革。如果他们是正确的——太阳是宇宙的中心，地球绕太阳转动，亚里士多德的引力理论就会土崩瓦解。基于推理而不是观测和实验，亚里士多德的观点需要把地球置于宇宙的中心。如果太阳取而代之成为中心，所有的重物都会因此飞进太空。

更重要的是，亚里士多德的引力理论会使得重物下落得比光还快。由于包含更多的物质，因此重物会具有更强的趋势朝向宇宙中心运动，因此运动的速度会更快。亚里士多德认为这是事实，但伽利略并不同意这一观点。他提出了一个问题，如果你把两个不同重量的物体用绳子绑在一起会发生什么？根据亚里士多德的观点，较重的物体下降的速度较快，其下落的速度会超过较轻的物体；因为绳子的拉力，较轻的物体会使得较重的物体减速，最终它们整体的下落速度会介于两者之间。然而，作为一个整体，其总重量要超过构成它的任何一个物体，因此也会下落得更快。这两个结论完全相互矛盾。

虽然伽利略几乎可以肯定没有如传说的那样在比萨斜塔上通过自由落体实验发现物体会同时落地，但他确实用由软木和铅所做的摆锤做过单摆实验。他认为，铅的重量超过软木锤100多倍。伽利略的实验显示，它们摆动的速率相同，因此受引力作用下落的速度也相同。他还在斜面上通过滚落球体来测量引力的效应。伽利略明确地指出是“吸引力”让物体落向地球。

把引力纳入科学和数学框架之下的是牛顿。目前还不清楚他是否真的是因为看到

苹果下落而受到启发，但他自己是这么说的。1726年4月，在与考古学家威廉· 斯蒂克利（William Stukeley）的长谈中，牛顿说是一个苹果的下落让他思考为什么苹果总是垂直落地。

根据斯蒂克利的说法，牛顿认为苹果是被地球的“吸力”所牵引的，而这一作用力必定正比于质量。苹果会吸引地球，地球也会吸引苹果。但还不止于此，牛顿提出了“万有引力”的概念，这是一次飞跃。他打破了亚里士多德的月球屏障，让这个相同的作用力存在于整个宇宙。他意识到是引力在维持行星沿轨道绕行，否则它们就会沿一条直线飞出去。

所有这一切以及其他的内容都一同写进了牛顿的杰作《自然哲学的数学原理》中。这本书通常也简称为《原理》，用拉丁文写成，不容易阅读，还使用了远超一般水平的几何知识。它对引力的关键认识可以概括成一句话：引力的强度正比于物体的质量，反比于物体间距离的平方。对牛顿而言，他的引力定律和运动定律足以用来描述行星和卫星的运动以及物体的下落。毫无疑问，这是一个伟大的胜利。

不过，牛顿也留下了一个空缺——引力在遥远的距离上是如何作用的？他在《原理》中写道：“我对此没有任何假说。”牛顿暗示，他的竞争对手会就此挑事。不过，这一解释上的空缺仍使得牛顿受到了攻击，特别是对他“吸引力”一词的使用。今天，我们会很自然地用“吸引力”来称呼或者描述引力，但这在当时仅仅是出于浪漫上的意义。对17世纪的人来说，“吸引力”听上去就好像地球是因为某种暧昧而围绕太阳转动的。

牛顿的工作并不孤立。例如，他伟大的竞争对手罗伯特·胡克（Robert Hooke）曾提出，引力呈“平方反比定律”，会随着距离平方而减弱，但胡克一直无法成功地运用数学来支持他的观点，是牛顿建立起了整个恢宏的体系。

解释引力

对于引力是如何作用的，牛顿确实有一些自己的想法。和许多人一样，他怀疑空间中充满一种不可见的物质，它们可以传递引力。随着时间的变迁，这一引力的力学模型变得日益复杂。最为流行的是由瑞士物理学家尼古拉· 法蒂奥·德迪（Nicolas Fatio deDuillier）和乔治-路易·勒萨热（George-Louis Le Sage）各自独立提出的观点，认为空间中充满了不可见的微小粒子，它们会从四面八方不断地撞击物体。当有东西出现在地球的运动轨迹上时，地球会遮挡从它所在的方向飞来的粒子，其余

粒子会把这个物体推向地球。

这听上去实在太不可思议了。但直到爱因斯坦出现，人类才对引力有了更好的认识。在1905年后，他对引力有了突破性的想法，写了3篇改变物理学的论文。在这些论文中，他佐证了原子的存在、奠定了量子理论的基础（为他赢得了诺贝尔奖）并提出了狭义相对论。在狭义相对论中，看似固定的物理量，例如质量、长度和时间，都

会随着你的视角改变而发生变化。

两年后，爱因斯坦坐在瑞士伯尔尼的专利局里，有了他自己所说的最快乐的想法。爱因斯坦后来说：“突然之间，我产生了一个念头，如果一个人自由下落，他不会感觉到自己的体重。我吃了一惊。这个简单的想法给我留下了深刻的印象。它促使我去追寻一个有关引力的理论。”

引力和光

爱因斯坦所意识到的是，引力和加速度是等效的，并没有什么区别。例如，如果你在一艘没有窗户的飞船中发现自己受到了能产生9.8米/ 秒2加速度的拉力，那么有两种可能的解释：你可能仍静止在地球的表面，或者你的飞船正在以9.8米/ 秒2的加速度飞行。你的仪器无法区分这两者的差异。但是，如果真是这样，那它将会告诉我们一些有关引力的奇怪性质。

如果我们想象一束光穿过了正在加速的飞船，这光束会由于飞船在运动而看上去朝某个方向弯曲。但由于加速度和引力是等价的，那么在引力场中同样的光束也会发生弯曲。爱因斯坦意识到引力会弯曲空间。一个大质量天体附近扭曲的空间会使得本该沿直线运动的任何东西都改走曲线。行星的轨道如此，光也是如此。事实上，他的发现其实比这还要诡异。虽然弯曲的空间可以解释行星的轨道，但它并没有告诉我们为什么苹果会下落。对物体而言没有理由会开始运动。这其实是大质量的物体弯曲了周围的时空，进而使得物体开始运动。时空这一概念源于狭义相对论，将时间和空间视为一个整体。用来描述这一切的数学极为复杂，即便是爱因斯坦也不得不寻求帮

助，但原理很简单。

爱因斯坦为牛顿的理论建立了一个框架，使之可以奏效。更重要的是，爱因斯坦所提出的这个理论，即广义相对论，做出了一些有别于牛顿理论的预言，而实验则已经证明广义相对论与现实相符。

从许多方面来看，有关引力的理论似乎已经完整了。爱因斯坦的理论能被用来预言一切，从黑洞的存在到宇宙随时间的演化。但在我们的认识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。这意味着，它们并非是连续的，具有最小的单元，被称为量子。由此，也应该存在一个引力的量子理论，但至今还没有建立起这样一个理论。有一段时间，弦理论看上去似乎可以为此提供答案，但有越来越多的科学家担心，这个完全由数学所驱动的概念永远也无法做出有用的预言，而其他的理论——例如圈量子引力理论——则日益兴盛。

引力和我们

我们对引力的现代认知表明，它的重要性远超古人的预计。引力不仅让物体留在地面上，也使得旋转的气体和尘埃云坍缩成了太阳系。是引力和量子效应一起使得太阳核心发生核聚变，产生光和热，进而赋予了我们生命。

在太空中进行的实验甚至表明，对生命而言，引力是必不可少的东西。没有引力，植物的根系很难生长。在国际空间站上的一个实验已经证明，鸟类的蛋需要在有引力的环境中才会发育。在低重力环境下，人的骨质和肌肉都会流失，肺部则会遭受因其他器官上移而导致的压迫，整个人的健康状况会由此出现恶化。

引力仍然留守着一些不为我们所知的秘密。例如，我们不知道，为什么它会比其他的作用力弱得多。如果你怀疑这一点，可以试着用电磁力和它进行比较：一块小小的磁铁就能战胜整个地球所产生的引力，吸起一枚回形针。我们也还不知道如何把引力纳入量子力学的框架。但得益于牛顿和爱因斯坦的工作，这一基本作用力已不再完全是一个谜。

延伸阅读

关键实验

1915年，爱因斯坦发表广义相对论时引起了轰动，但直到4年后才第一次观测到了它的实际效应。

广义相对论的预言在很大程度上与牛顿的理论相同，但最明显的区别在于引力对光路径的弯曲程度。当光从太阳表面附近经过时，根据广义相对论，其路径会向内弯曲，使得恒星的视位置发生偏移。这一现象只有在太阳光被完全遮挡住的时候才能被看见。

1919年，阿瑟·爱丁顿率领一支远征队前往西非的普林西比岛，以便在5月29日发生的日全食期间对这一效应进行测量。那天早晨天空布满了厚厚的云层，还下起了雨，一直持续到中午。日全食从14时13分左右开始，希望似乎很渺茫。爱丁顿回忆说：“我们必须对拍摄照片充满信念。我并没有观看这次日食，因为忙着更换底片，除了瞟了一眼确保日食已经开始，另外又在中途看了一眼天空中有多少云。我们拍摄了16 张照片。”但很多图像上没有清晰地显示出恒星，最后只有两张可以用的底片。然而，爱丁顿使用另一支前往巴西索布拉尔的远征队所提供的更多信息，证实了广义相对论的预言，让爱因斯坦声名鹊起。

讽刺的是，后续的研究显示，爱丁顿使用的数据可能并不具有足够的测量精度来证明广义相对论。不过自那以后，有大量的数据可以坚如磐石地证明爱因斯坦的预言。

关键角色

在塑造我们对引力的认识的过程中，有5个伟大的人物。

亚里士多德（公元前384年—公元前322年）

古希腊哲学家，他建立了科学的基本要素。但遗憾的是，他的理论——基于推理，而非观测——几乎完全是误导。亚里士多德认为，引力是重物寻求前往宇宙中心的一种倾向。

伽利略（1564年—1642年）

这位来自意大利比萨的自然哲学家相信实验的重要性，并以此推翻了亚里士多德关于引力的观点。虽然因试图推动哥白尼的太阳系模型而闻名，但伽利略的最大贡献在于他对力学和运动以及引力效应的系统研究。

牛顿（1643年—1727年）

英国最伟大的物理学家。他有许多研究是在林肯郡的家中躲避瘟疫时所做的，但他有关光、运动、引力和微积分的大部分工作都是在剑桥大学完成的。他后来成了议员、造币厂主管和英国皇家学会的会长，不过物理学仍然是他最重要的成就。

爱因斯坦（1879年—1955年）

爱因斯坦出生在德国乌尔姆，从十几岁时起成为瑞士公民。1905年，还在专利局工作的他完成了3 篇论文，证明原子真实存在，奠定了量子理论的基础并建立了狭义相对论。他于1915 年提出的广义相对论依然是目前有关引力的标准理论。

阿瑟·爱丁顿（1882年—1944年）