漫聊合集 引力

你一定知道什麼是引力 它能控制恆星的運動 它可以製造黑洞 它可以讓蘋果掉下來砸在你的頭上 這些都是引力的功勞 但是仔細想一想 你真的瞭解引力嗎 雖然引力在宇宙中存在的非常普遍 但是和其他幾種基本作用力的工作模式比較一下 你立刻就會發現引力是非常另類的 首先最重要的就是 引力和強合力弱合力還有電磁力相比 它非常的弱 而且它只能讓物體互相吸引 但不能讓它們互相排斥 這還只是引力的特點和怪異 如果你站在量子力學的角度看待引力 事情就變得更加怪異了 爲什麼科學家對引力感覺非常苦惱 因爲理解世界萬物的關鍵在於掌握其運行模式 當我們能夠探究宇宙最底層的運行模式的時候 我們就可以用這個模式來預測未來 物理學家總是想通過模式理解宇宙和宇宙中的物質 這也是爲什麼物理學家非常癡迷於尋找一個大一統理論的原因 但是引力的不合群是實現這個願望非常大的一個阻礙 這一期我們就來說說這個怪異的引力 從最直觀的角度講 我們之所以能夠站在地球上 而不會被地球甩向太空 原因就是因爲有引力 如果沒有引力 整個宇宙會變成一團漆黑而且充滿塵埃和氣體的混沌體 沒有恆星也沒有行星 就更不會存在生命了 引力的存在非常廣泛 但是它的力道卻非常的弱 到底有多弱呢 相對於其他三種基本作用力 它的強度大約是10的36次方分之一倍 這麼大的數字實際上我們已經完全理解不了了 你可以粗略的這樣理解 整個宇宙中所有原子的數量 大概是10的80次方個 那引力比其他力弱的倍數就是10的36次方 從一個小實驗你就可以直觀的理解 引力到底有多弱了 你隨便拿起一塊磁鐵 在上方吸住一枚鐵釘 這個時候小小的一塊磁鐵 給這枚鐵釘施加的電磁力 對抗着整個地球對這枚鐵釘的引力 你想一塊小磁鐵就可以對抗整個行星 可見引力比電磁力要弱多少 那麼既然引力這麼弱 爲什麼它在我們宇宙中這麼重要 爲什麼我們不應該把它忽略不計呢 從直觀的角度講 如果一個東西比另外一個東西 弱了10的36次方倍 那它就應該被完全碾壓了不是嗎 這就好像刮來了一陣颱風 誰還會在意在臺風裏有一隻蝴蝶在揮動翅膀 答案是在超大的尺度和超大質量的情況下 引力就會變得非常重要 在四種基本作用力中 強核力和弱核力都是短程力 一般只在亞原子尺度上起作用 電磁力是長程力 但它爲什麼不能成爲主宰恆星和星系運動的作用力呢 因爲引力有一項有趣的屬性 它是單向作用力 它只會使物體相互吸引 而不會使它們相互排斥 引力的大小和物體的質量成正比 而質量不能是負的 與之相反 電磁力設計了兩種類型的電荷 同樣 弱核力和強核力 也有類似的屬性 它們同樣有多種數值 在上一期節目說質量的時候 我們就說到 你可以把質量當作粒子的一個引力荷 就類似於電荷 它決定了這個粒子會受到多強的引力 但是在我們的宇宙裏 質量是不可以取負值的 所以引力不會使粒子相互排斥 這一點就非常重要了 這意味着不同粒子之間的引力 它們永遠不能抵消 而是會一直疊加下去 在大的尺度上 電磁力是可以互相抵消的 你比如說 如果太陽它只帶正電荷 而地球上所有的東西都只帶負電荷 那它們之間的電磁力就會非常的大 這個大小會遠遠超過引力 但是從統計學上來講 地球上所有的粒子 正電荷和負電荷基本上數量各佔一半 太陽差不多也是這樣的 所以太陽和地球之間既有相互吸引的電磁力 也有相互排斥的電磁力 這兩個力就互相抵消了 那你說這是不是一個巧合呢 還真不是 在強大電磁力的作用下 電荷會被反覆調整 直到所有殘餘的不平衡都消失 這個調整的過程 大概在宇宙誕生40萬年左右 就已經完成了 幾乎所有的宏觀物質都以中性的形態存在 電磁力也在星球內部達到了平衡 所以你很難在這個宇宙中 找到一個自然形成的宏觀物體 它整體是帶正電的或者是帶負電的 那既然地球和太陽之間的電磁力 總體上大體爲零 強荷力和弱荷力又是短程力 它們夠不到 那剩下的就只有引力了 這就是引力在行星和恆星尺度上成爲主導的原因 其他的作用力都達到了平衡態 或者誰也夠不到誰 而引力則和兩個參數有關 就是兩個物體的質量和它們之間的距離 由於質量不能爲負 所以兩個物體之間的引力 會隨着它們有質量的粒子數的增加而不停的增加 咱們來總結一下 引力有兩個特性 至今我們還沒搞清楚是爲什麼 第一個特性是 它和其他幾種基本作用力比起來 非常的弱 這就好像其他人都開着坦克 而引力還騎着一匹小矮馬 第二個特點 其他的作用力是雙向的 它們會根據物體的屬性彼此吸引或者彼此排斥 只有引力 不管三七二十一 統統表現爲互相吸引 這種明顯的不一致 意味着它不符合我們現有的對宇宙認知的模式 或者還有什麼重要的內在邏輯 我們沒有發現 事實證明確實是這樣 在更深的層次 引力也顯得非常的怪異 目前我們的量子力學 是作爲同時解釋所有物質粒子和三種基本作用力的 一個最好的數學框架 在量子力學裏 所有的東西都可以用粒子來描述 無論是東西還是它們之間的作用力 都可以被切成非常小的小塊 這種基本的小塊就叫做量子 當一個電子推動另外一個電子的時候 它並沒有使用某種看不見摸不到的力 或者是某種奇妙的心靈感應來驅動對方 物理學家認爲 這種相互作用來自於 一個電子向另外一個電子扔出了某種粒子 這個粒子可以轉移一部分的動量 這就有點像兩個電子之間扔籃球 在電子之間充當籃球作用的東西是光子 在弱相互作用下 粒子交換的是W波色子和Z波色子 在強相互作用下 粒子之間交換的是膠子 這個膠就是膠水的膠 這個粒子物理的標準模型 可以成功解釋非常多的自然現象 用量子粒子的方式看待這個世界 我們在實驗室中看到的現象都可以得到解釋 也可以預言我們未來能看到的東西 比如我們可以預言還沒有找到的物質粒子 或者是希格斯波色子 量子力學甚至可以解釋 弱核粒爲什麼是短程粒 因爲搬運這種粒子質量很大 這就限制了它們的運動距離 然而標準模型有一個很大的問題 用這個理論它不能很好的解釋引力 也許你覺得科學發展到現在 我們沒有什麼解釋不了的東西了 但是偏偏是我們最常見的這個力引力 目前的量子力學它解釋不了 解釋不了的原因有兩個 第一個是如果要把引力融入標準模型 那我們就需要一種粒子來傳遞引力 物理學家把這種假想的粒子命名爲引力子 如果有這種東西存在 那就意味着你被引力吸引的時候 你身體裏的每一個粒子和地球所有的粒子 都在持續相互的投擲着某種東西 但問題是從來沒有人觀測到引力子的存在 所以這個理論也可能完全是錯的 這是第一個原因 第二個原因就是我們已經有了一個理論 它可以很好的解釋引力 這個理論就是愛因斯坦在1915年提出來的廣義相對論 它自身已經非常完美了 廣義相對論從一個全新的角度來詮釋引力 它認爲引力不是兩個物體之間的相互作用 而是空間自身扭曲的結果 愛因斯坦認爲如果把空間想象成某種柔軟的流體 而不是一個抽象的空的概念 引力就可以變得很簡單了 因爲質量或者能量的存在會彎曲它周圍的空間 從而就改變物體的運動軌跡 在這個理論裏 引力它不是一種力 而是時空彎曲的一種表象 關於愛因斯坦的廣義相對論 有這樣一句非常簡單的話來描述它 就是物質告訴空間該如何彎曲 空間告訴物質該如何運動 你看在這裏面 物質和空間之間它們是不存在某種力的 廣義相對論就認爲 地球之所以圍繞着太陽轉而沒有飛向遙遠的太空 並不是因爲地球被某種力困在了太陽的軌道上 它圍着太陽轉 是因爲太陽周圍的空間以某種方式彎曲了 地球在這個彎曲的空間裏 它以爲自己是沿着一條直線運動的 實際上它是沿着一個橢圓來運動的 最常規的一個比喻 就是你把空間想象成一個有彈力的橡膠膜 當你把太陽放在上面的時候 這個橡膠膜會整體的向下凹陷 然後你在上面彈動一個小球 這個小球本來是沿直線運動的 但是當它來到太陽周圍的時候 因爲空間本身也就是這個橡膠膜 它被彎曲了 這個小球也會成一個彎曲的弧線來做運動 但這個過程中並沒有某種力拽着這個小球 讓它繞着太陽運動 當然這只是一個直觀的比喻 實際上真實的情況是用數學來描述的 這樣一來 引力質量不再被看作部分粒子有某種特殊的荷子 這個荷就是電荷的荷 它衡量的是一個物體可以多大程度的彎曲它周圍的空間 儘管這個說法很詭異 但是它成功的解釋了局部引力 宇宙尺度的引力 以及很多太空中奇妙的景象 關於空間和空間彎曲 我們會在後面的節目再跟你聊 強敵論是一個非常偉大的理論 它預言了黑洞的存在 解釋了天體運轉的道理 還爲我們提供了GPS定位 但是這裏有一個問題 廣義相對論非常完美 量子力學也非常完美 但是我們沒有辦法把這兩個理論合併到一起 這兩個理論之所以很難統一 有一部分原因是它們是從完全不同的視角理解這個世界的 量子力學它把空間看作平坦的背景 也就是空間不會彎曲 而廣義相對論則認爲空間是動態的 有彈性的 它是一個事物 再往深層講 相對論看待引力 它是一種現象 是一種時空彎曲的現象 而量子理論看待任何的力 都是空間中飛來飛去的小球造成的 那麼如果我們的宇宙中除了引力之外 所有的東西都是符合量子力學的 那引力也應該遵循同樣的規則呀 可惜的是 直到目前爲止還沒有任何證據證明引力子是真實存在的 更大的問題是 我們甚至沒法想象這兩套理論合二爲一之後 量子理論它會變成什麼樣子 量子物理學家他們乾的事是這樣的 他們是先預測某種粒子的存在 然後通過實驗找到證實 比如說鼎夸克和希克斯波斯子都是這樣被發現的 但是一旦物理學家想從數學的角度統一這兩個理論的時候 他們就從來沒有成功過 相反他們會拋出很多荒唐的結論 比如說無窮大的量 目前來說弦理論是最有希望統一相對論和量子物理的 但是目前它的進展還非常緩慢 而且它還只是停留在理論階段 我們還沒有找到任何的證據 總之啊引力還是有很多謎團的 當然科學家不會讓這些謎團永遠就這麼待下去 他們總得做點什麼 目前來說有一種方法是用實驗檢驗宇宙作用的規律 再想出一些聰明的理論解釋我們看到的現象 在理想的情況下 我們希望有這樣一個觀測 它既能檢驗廣義相對論 也能夠檢驗量子力學效應 如果它們其中有一個是對的 我們希望能在這個實驗裏把它對比出來 比如說如果我們觀測到兩個有質量的物體相互交換引力子 那就證明引力它必然是一種量子現象 那麼在宇宙中有沒有這樣的地方 它既符合廣義相對論對超大質量的描述 也符合量子力學對超小空間的描述呢 還真有 一個就是黑洞的內部 一個就是宇宙大爆炸的起點 這兩個場景研究起來都非常的困難 黑洞我們可以進去 但是進去就出不來了 宇宙大爆炸的起點又離我們非常非常遙遠 你可能也經常聽說 我們科學已經研究到宇宙大爆炸剛開始的 10的負多次方秒了 那人們爲什麼這麼較真 一定要無限的逼近宇宙大爆炸的那個起點呢 這就是因爲我們要通過對它的研究 來嘗試統一量子物理學和相對論 另外一個比較有可能觀測到的東西 就是黑洞的碰撞 讓兩個超大質量的黑洞相互碰撞 這就是在量子層面探測引力所需要的 當然啊 這並不是說我們操作兩個黑洞 來讓它們互相碰撞 目前人類還沒有這個本事 只不過因爲宇宙本身它的空間太大了 我們可以在很多方向 很多距離上找到正在發生的各種各樣的事情 只要耐心尋找 你就可以幾乎找到任何你想要的東西 比如說正在碰撞的黑洞 當兩個黑洞彼此靠近的時候 雙方都想要吞噬對方 它們會彼此旋轉 越轉越快進入一個死亡的螺旋 在這個合併的過程中 可能會有引力子向四面八方發射 我們要做的就是看到這些引力子 當然這並不容易 黑洞碰撞即便產生了引力子 也肯定是非常不容易被發現的 引力非常的微弱 所以即便有一個引力子在你身邊飛過 你也幾乎察覺不到它 還記得我們說過的中微子嗎 它可以穿過一光年後的氫 但是和粒子比起來 中微子和這個射擊的作用力 就算強得多得多了 人們通過計算發現 即便是在黑洞這樣強發射源的附近 我們也需要像木星那麼大的一個接收器 才能夠每十年探測到一個引力子 這個前提還是引力子真的存在纔行 說完了黑洞碰撞檢測的方法 我們再說說另外一種方法 就是找到一種情況或者說設計一個實驗 讓兩種理論給出不一樣的預言 我們可以通過這種矛盾來檢驗 兩個理論哪個是對的哪個是錯的 比如說探索黑洞的內部 廣義相對論告訴我們 在黑洞內部存在一個叫做起點的地方 在那個點上物質的質量密度非常的高 引力場的強度趨近於無窮大 時空也會彎曲成人們根本沒法想象的形態 廣義相對論認爲這種起點是可以存在的 但是量子理論不這樣認爲 根據量子理論的基本原理 物體它不可能小到只有一個孤立的點 因爲在量子理論中 當一個空間變得非常小的時候 它的不確定性就會變得非常的大 所以在這種情況下 兩種理論肯定有一個是錯的 如果我們能知道黑洞內部它到底是什麼樣子 我們就能得到一個非常重要的線索 從而理解量子力學和引力是怎樣相互作用的 當然這個設想實現起來難度那更是高的嚇人了 且不說我們能不能活着逃出來 光是進入黑洞的過程 我們就可能已經被撕得粉碎了 還有沒有另外的可能呢 還有這就是這兩年非常熱的引力波 大質量的兩個黑洞在互相合並 加速運動的時候 會使周圍的時空產生一個漣漪 就像兩艘快艇在水裏面互相繞着對方旋轉的時候 會像周圍發散水波一樣 這種時空的波動就叫做引力波 簡單來說運動的質量 對空間產生了一定的擾動 這個擾動也會像波紋一樣傳播開去 當引力波經過的時候 沿着它路徑方向的每一個物體 都會被拉伸和扭曲 一個圓會瞬間變成一個橢圓 一個正方形會變成一個長方形 但是這種變形也幾乎是不可能被觀測到的 引力波能引起的時空扭曲 大概是原來物體尺寸的十的二十次方分之一 換句話說 如果你手裏有一根棍子 它的長度是十光年 那引力波能讓它縮短多少呢 縮短一毫米 這個效果是很難測量的 這個就要說到人類的智慧了 科學家建造了一個實驗室 取名叫LEGO 中文名叫激光干涉引力波天文臺 它的基本原理是由兩個相互垂直的 四公里長的管道組成 科學家利用激光測量兩個管道頂端的距離變化 當引力波經過的時候 會在某一個方向拉伸空間 而在另一個方向壓縮空間 雖然我們測量的精度 無法通過激光的往返 直接測量這個管道長度的變化 但是我們可以測量激光在每個管道中 反射很多次之後 再疊加產生的這個干涉條紋的變化 來精確地測量出空間是不是被拉伸或者壓縮了 LEGO這個項目花費了6.2億美元和數十年的貫徹 終於在2016年 人類識別了首個引力波的信號 這個發現完美地證實了 愛因斯坦引力會彎曲時空的理論 但是不幸的是 我們沒法得出引力是如何在量子視角下發生作用的 因爲引力波不等同於引力子 這就好比我們證明了恐龍是存在的 但是並不能證明我們找到了一種叫恐龍粒子的東西 無論怎麼說 引力波的發現是人類科學的重大進步 相當於我們作爲一種整體的生物 長出了一種新的器官 它能夠探測原來我們這個物種完全沒法探測到的東西 在十光年的棍子會縮短一毫米這樣的精度下 我們居然能夠測量出來 那麼前面我們說的觀測宇宙大爆炸的起點 以及探測黑洞的內部 誰又敢說是百分之百不可能的呢 說了這麼多 我們最終的結論就是引力還是很特別 關於它爲什麼這麼特別我們還是不知道 也許引力本來就是特殊的 我們科學家希望找到一個大一統理論 讓所有的力都遵循一個最基本的原則 但也許這個宇宙就是這樣規定的 沒有人規定引力必須和其他作用力相似 我們也不一定非要用同一套理論來解釋所有的力 我們對於宇宙大部分的原理都還不清楚 很多時候我們的假設會被推翻 或者某種理論只適用於某種特殊的情況 沒準啊 引力就和我們之前看到所有的東西 它本來就不一樣 可能它並不特殊 只是我們的宇宙就是這樣來設定的 我們的目的是理解這個宇宙 我們也許應該避免先入爲主的假設 它應該是一個什麼樣子 目前存在着一種猜想 它用額外的維度來解釋引力爲什麼這麼弱 引力的強度很弱 因爲它被稀釋到了其他維度的空間裏 形成了一些我們看不見的微小的環路 如果你把其他的維度也考慮進來的話 引力強度就會變得和強合力弱合力還有電磁力一樣的強 總之揭開引力的神祕面紗 對於理解我們所在的宇宙非常重要 引力是唯一可以在宏觀尺度上發揮作用的力 這意味着它是決定宇宙形狀和宇宙最終命運的關鍵作用力 我們也是通過對引力的研究發現了暗物質以及暗能量的 關於暗物質和暗能量 你可以回到這個專輯的第一期和第二期的節目來聽一下 引力可以彎曲時空這一個事實 也帶來很多讓人興奮的結果 因爲光速的限制 我們很可能永遠沒法訪問太陽系以外的航行系 因爲它們之間的距離和我們航行的速度決定了 人類的壽命是不足以讓我們走到那麼遠的地方去的 比如你看流浪地球裏 光是去到離我們最近的半人馬α星座 我們就要花掉2500年的時間 銀河系那麼大 還有那麼廣闊的天地供人們去探索 人類當然是不甘心的 在大流的小說三體裏就提出了一個非常瘋狂的假設 在宇宙中某些高級的文明裏 它們使用的既不是化學能也不是核能 而是通過引力摺疊空間而進行超遠距離的星際航行 如果我們能夠解開引力的謎團 或者我們就可以主動的去彎曲時空 比如製造出一個蟲洞 如果這能實現 那麼我們就可以真的在整個銀河系裏進行執迷了 好了 關於引力這一期我們就聊到這裏 科學星球我們下期再見