艷色天下重，西施寧久微？——王維《西施詠》

依本分，只落得人輕賤。——無名氏《志感》

1 引子

生命從水中上岸後，除了要對抗乾燥和短波長光照以外，還要抵抗重力。當動物學會了僅用兩個下肢就能維持身體平衡1)時，解放出來的上肢就能做更多的事情從而讓該動物變得聰明起來，比如獴、松鼠和猿。與獴、松鼠和猿不同，雖然有些恐龍也解放了前肢，但似乎前肢沒能演化為手，恐龍也就沒能變得聰明起來。他們碩大的身體遭遇的巨大重力，可能才是其滅絕的原因。恐龍滅絕的另一個可能原因是笨死的。笨重，笨重，太重了就笨。笨重的反義詞是輕靈。

那種由猿解放了雙手變來的動物，他們現在管自己叫人類，甚至聰明到可以用廣義相對論描述重力(gravity)的地步。陸上的動物要為自己建造巢穴，這個活動中遇到的一個關鍵干擾因素就是重力。一部人類建築史，首先是抵抗重力的歷史。勞動的雙手讓人類變得越來越聰明，越來越聰明的人類把思考的對象擴展到了整個宇宙2)。這其中，重量的問題，物體下落的問題，成了物理學的本源問題。

與重相關的物理學辭彙包括weight，gravity，gravitation，graviton，gravitino， gravific particle，barometer，baryon 等。重的對立面是輕， 相關的辭彙包括lightness，levity，levitation，lepton，等等。

2 重力現象與重力理論

古希臘哲人認為世界是由土、水、火、氣四種元素組成的。這四種元素會分別擁有某些性質的正反面，比如說土和水擁有gravity(重)會下沉，而火和氣擁有levity(輕)會上升。這有點類似中國古代哲學裡清濁的概念——開天闢地以後，濁氣下降而清氣上升。與輕重相伴隨的還有亞里士多德的關於運動的觀點：物體的運動是要尋找其自然的歸宿。此外，亞里士多德還認為在兩個下落的物體之中，更重的那個下落的快。亞里士多德的觀點遭到了其同時代人斯特拉托(Strato)的質疑3)。斯特拉托從對屋檐滴水過程的觀察發現，下落速度是個變化著的量，從開始到觸地這段時間間隔內速度應該是越來越快的：屋檐落下的水開始時是連續的，後來才變成間隔越來越大的雨滴。他由此認為物質只有重(gravity)這一個性質，而不是有輕、重兩種性質。氣和火看似上升是不如更重的物體下落得快受擠壓造成的。Gravity 和levity 是拉丁語辭彙，形容詞分別為gravis和levitas。

所有蹣跚學步的小孩都曾因重力摔倒過，且有不少人一生中會被落下的物體砸到過頭，他們中一定有很多人為此感到困惑過。傳說1666 年的某一天，一顆蘋果砸到牛頓的頭上，讓他悟到了重力的奧秘。Gravitation is universal！地球拉著蘋果，也拉著天上的月亮。牛頓用平面幾何的知識證明了，如果這個重力是和距離平方成反比的，則行星繞太陽的軌道就是以太陽為焦點(之一)4)的橢圓，這即是開普勒的第一定律。牛頓的萬有引力公式可表述F =Gm1m2/r2 ，其中的G為萬有引力常數。G是gravitation的首字母。

Universal gravitation 被漢譯為「萬有引力」有點彆扭，因為我們時常會遇到類似gravitation is always attractive 這樣的句子，翻譯成「引力總是吸引的」？古代中國可是把gravitational theory 翻譯成重學的。此外，當我們談論gravitation 的時候，實際上談論的是兩物體僅僅因為有質量就有的那種作用，其涉及的內容博大精深( 惠勒的大部頭gravitation， 光目錄就九頁) [1]， 將gravitation 翻譯成「引力」是不對的。引力，或重力，應該是留給gravitational force的。

涉及gravitation 的內容博大精深，源於愛因斯坦的引力理論，即廣義相對論。要求時空的每一點上滿足洛倫茲變換，且引力等價於彎曲時空的曲率，這樣得到的高度非線性引力方程確實更多具有的是哲學價值。引力波方程，不過是作弱場近似返回來掏出了此前塞進去的滿足洛倫茲變換的波動方程這隻兔子。至於引力的量子化問題，有很多有趣的、徒勞的嘗試。人們應該先弄明白諧振子問題為什麼是可以量子化的。能夠被量子化的問題很少，引力如果最終不能量子化，沒什麼好驚訝的。

英文談及重量， 用的名詞為weight，該詞作為動詞是加重的意思(統計物理中，weighted average 被漢譯為加權平均)， weigh( 德語為wiegen)才是稱重的意思。英語重量的單位pound，磅，來自拉丁語的重，ponderosus，英文說人笨重就用形容詞ponderous。重力是物質的質量這個性質決定的，但質量，英文mass，實際上是一大塊的意思。英文的massive，不是只說質量用kg表示的值很大，而且還很佔地方。當然，在粒子物理語境中，一個massive particle 就是說該粒子是有質量的或者強調其是有較大質量(相對於電子)的。

光子是無質量的(massless)，無質量的粒子不參與gravitational interaction (引力相互作用)。在光子之前，人們曾設想過存在熱質(caloric)傳導熱量。為了讓熱質免受水往低處流的煩惱，人們設想熱質是無重的， 因此有weightless caloric 的說法。不過，weightless 常被理解為測量不到重力的，比如在gravitational field(引力場)中(和稱一起)自由下落的物體是weightless，但它一直受到引力場的作用。

3 Microgravity & Levitation

深受重力之苦的人類特別羨慕那些能自在翱翔的鳥兒。杜甫的「飄飄何所似？天地一沙鷗」，岑參的「白髮悲花落，青雲羨鳥飛」，滿滿的都是羨慕之情。試圖藉助外力實現升空的人，西方神話中有自製翅膀的Daedalus，中國明朝有用火箭綁椅子的萬戶。飛天的形象(圖1)，是老祖宗欲飛升而不得之長期鬱悶的結晶。令老祖宗想不到的是，他們的想像如今已變成了現實，人類已經能夠掙脫地球gravity 的羈絆，可以在空間站中盡展飛天的曼妙舞姿(圖1)。

圖1 飛天和空間站中的宇航員

引力源於質量，則因為質量的不均勻分布，空間各處的重力水平是不同的。以地球表面的重力加速度為基準(記為1 g)，則火星表面約為0.96 g，月球表面約為1/6 g。而在星際之間的廣袤空間里，引力或曰重力加速度約為零(zero gravity)。在空間站中，重力水平約為10-6 g，這個或更低的重力水平被稱為微重力(microgravity)。人類在空間站中可以象飛天一樣自在地生活？不！象飛天那樣自由翻滾可以，但生活可艱難了。人類生活在地球表面，人類的內在運動和外部環境中的運動都是1 g 重力水平下的過程。在微重力環境中，一切都走樣了：水不再往下流，火苗不再往上竄(圖2)——喝水抽煙都成了難題。尤為恐怖的是，微重力環境下骨質流失(bone demineralization) 很快， 這是航天員執行任務有時間上限的原因5)。什麼叫「天人合一」？人要生活在1 g水平的空間中，這就是天人合一的一個側面。另一個大家都熟悉的、符合「天人合一」原則的現象是人要睡覺，要習慣世界的黑暗。

圖2 地球表面上(左)和微重力條件下(右)的燭焰對比

微重力環境下物體可以漂浮著，這對於做一些涉及流體的實驗太有利了，因為可以避免同容器的接觸，可以免除重力引起的對流等問題。人們在地面上也想讓物體懸在空中(held aloft)，這可以通過光學、空氣動力學或者電磁學的方法實現這一點。比如，因為超導體的抗磁性，在超導體上方的磁鐵不能完全落下來，就可以懸浮著。這即是所謂的levitation。Levitation 和levity 同源，本意是輕，動詞levitate是類比gravitate 造的詞，有rise and float 的意思。漢譯懸浮是從floating的形象而來的。

4 重子與輕子

關於輕重這種自然現象，西語中自然少不了來自希臘語的詞。希臘語的重是βαρ??，barys，基於這個詞構造了許多含有重的意思的辭彙。比如56 號元素，barium，1774年被確認，漢語音譯為鋇，意思就是重，雖然其作為一種金屬密度只有3.51 g/cm3 而已。源自βαρ??的物理辭彙還有barometer，被漢譯成氣壓計、晴雨表，其實就是個重量計量器件：抽真空後的玻璃管內充入水銀，根據所支撐水銀的高度( 單位面積上的重量)來度量氣壓。與barometery 字面意思相同的是gravimeter，不過這是比重計或重力加速度計。在標準粒子模型中，由三夸克組成的費密子如n，p，Λ，Σ+ ， Σ0， Σ- 等粒子被稱為重子，baryon。與重子相對的有輕子(lepton)六種，分別為電子、繆子(muon)和陶子(tau)，以及各自對應的中微子(neutrino)(圖3)。輕子比重子質量要小得多，比如電子質量只是最輕的重子(質子和中子)的1/1836。輕子lepton，來自希臘語形容詞λεπτ??，但這個字的本意是小、細、精緻。Lepton 是希臘貨幣的最小硬幣，複數形式為lepta。

圖3 標準模型中的夸克和輕子

5 重粒子gravific particle

Gravific 是個和gravity 相聯繫的形容詞，太罕見了，筆者的Webster 大詞典都不收錄。但是， gravific particle(重粒子)是科學史上非常重要的概念，它曾是連接重學和熱功學(thermo-dynamics) 之努力的關鍵。

「 民科」 赫帕特(John Herpath， 1790—1868)自重力現象(gravity)出發研究熱。此一研究方式是熱功學得以建立的自然選擇。Thermodynamics關注的是熱如何轉換成功，卡諾就是參考水車的原理(工作於兩個高度上)才認定熱機需要在兩個溫度上工作的，而功就是用熱機自礦井的提水能力加以定義的。赫帕特試圖為gravity 找到一個解釋，他提議存在一種微妙的以太，由gravific particles 組成，其在接近天體時會因高溫而變得稀薄。此種以太的低密度使得gravity 可以隨處起作用。這一模型還讓赫帕特建立起了溫度同粒子速度之間的關係，從而建立起氣體的動力學理論[2]。前面提到，與此相對應，熱力學歷史上的熱質說認為熱是由一種稱為caloric 的流體攜帶的，而caloric 是沒有重量的(weightless)。

6 引力子與引力微子

因為篤信所有相互作用的本質都是交換(exchange)，1934 年人們也為引力相互作用引入了相應的force carrier，名之為graviton (引力子)， 其可類比於電磁場的photon(光子)，強相互作用的gluon (膠子)和弱相互作用的W-，Z- 玻色子。因為引力的源是應力—能量張量，引力子就想當然地被認為是自旋為2 的粒子；因為引力是長程力，引力子又想當然地被認為是無質量的。自旋為1 的光子，其和光波(束)是什麼關係，人們還弄不太清楚。那所謂的引力波(假設真被探測到過)，它和graviton 之間的關係是什麼呢？據說從引力波探測的結果可以算得引力子的引力質量上限為1.2×10-22 eV/c2。此外，在超引力理論中，還有引力微子的概念，是引力子的規範費密子超對稱伴侶。Gravitino (引力微子，也譯成超引力子) 一字應該是參照neutrino (中微子) 所造的。

圍繞引力(子)有許多嚇死人的著作，比如《引力與超引力的規範理論》，《二維量子引力與高溫超導》，《熱核與量子引力》，其中理論筆者不懂，故不敢評論。不過，西文文獻中總冒出類似there is not a complete theory for graviton ( 關於graviton 沒有一個完整的理論)/most theories containing gravitons suffer from severe problems ( 大多數涉及graviton 的理論都遭遇到嚴峻的問題)之類的評論，可資參考。那麼問題出在哪兒呢？就物理來說，把gravitation 同別的相互作用等量齊觀可能本身就是個問題；至於那些不著調的引力理論，前不著村後不著店上不達雲霄下不接地氣是其致命的弱點。

7 引力元素gravitonium

把graviton 加個拉丁語詞尾則變成gravitonium。引力元素gravitonium，符號為Gr， 原子序數123，原子質量308(圖4)，是漫畫書《神盾局特工》(Agents of S. H. I. E. L. D)中虛構的元素6)。據說這個元素太稀有了，也太重了。該元素的聚集體能干擾它自己產生的重力場，從而使其形狀是ondulating and amorphous (波動的、無定型的)。如果受到電流的刺激，元素gravitonium構成的物質會固化為均勻的球形，向外散發重力場，因此可以拿它來建造小型重力場發生器(miniature gravity field generator)。在此物質附近，重力場會改變引力的規則，比如會反轉重力的方向把靠近它的物質給懸浮(levitate) 起來。這個作家不去專門研究引力可惜了。

圖4 元素Gravitonium 在元素周期表中的可能模樣

8 結語

Gravity 是被人類自然感知的現象，也是最早被科學地表述了的現象，不想最後竟然成了最難理解的現象，這可真沒地方說理去。對重力、對沉重感的無力，讓科學家和文學家都轉而拿輕來說話。在瑞士的流亡生活，讓捷克作家昆德拉寫成了《不能承受的生命之輕》(L"Insoutenable Légèreté de l"être)；對質量起源和重力問題的思考，讓諾獎得主維爾切克寫出了《存在之輕》(the lightness7) of being)[3]，兩本書就差一個形容詞。維爾切克用輕鬆的筆調闡述了一個沉重的事實：Is gravity feeble? Yes，in practice. Is gravity feeble? No，in theory。重力弱嗎？實際上它是，可是理論上它很難纏8)。

也許是要對抗重力(gravitation or gravity)給人的沉重、嚴肅的感覺，美國物理學網頁上竟然有zero gravity: the lighter side of science 專欄來談論科學輕鬆的一面。這zero gravity 的正確翻譯應該是「一點正經沒有」。這個欄目發表的一篇文章闡明了好的科學和壞的科學之間的區別。好的科學是：1)蘋果落到牛頓頭上； 2) 牛頓發現萬有引力定律。壞的科學是：1)蘋果落到了牛頓的頭上；2)牛頓發表了一篇題為「論一顆重二兩四的蘋果對頭的衝擊」的論文，而且其中還配了一張只有一個數據點的圖(圖5)。這篇文章讓人看了會忍俊不禁，不過想想如今科學被做成這個樣子，又笑不出來。

圖5 研究重二兩四的蘋果砸腦袋的實驗裝置和實驗結果

研究gravitation and gravity 這種事，大家還是應該嚴肅點才好。

參考文獻

[1] Misner C W，Thorne K S，Wheeler J A. Gravitation. W. H. Freeman and Company，1970

[2] Coopersmith J. Energy：the subtle concept. Oxford University Press，2010

[3] Wilczek F. The Lightness of Being. Basic Books，2008

1) 平衡是對equilibrium的好翻譯。德語的平衡，gleichgewicht，字面意思是等重。

2) 物理學史上德國人非凡的物理直覺來自哪裡？ 我的答案是手。

3) 我也是剛知道有這回事的。

4) 1)天上只有一個太陽；2)focus 的意思不是焦點，是爐子；3)橢圓有一個焦點的定義。

5) 星際航行三年？拉倒吧，三個月你也堅持不了。

6) 95 號以上的元素是人造元素，目前已合成到了118 號元素。不知道123 號元素到底能不能最終也被合成出來。

7) Light，輕，在英語中竟然和光，light，是一個字。再說一遍，這是英語轉寫德語時稀里糊塗造成的訛錯。輕light對應的德語詞是形容詞leicht，光light對應的德語詞是名詞die Licht。

8) 關於強弱作用的描述會比對引力的描述更讓人滿意？存疑。電磁學還算差強人意。

本文選自《物理》2017年第4期