引力的故事：從亞里士多德到愛因斯坦

升上去的必定會掉下來。但其背後的原因讓人類最偉大的頭腦苦思冥想了好幾個世紀，至今，引力的許多方面仍是個謎。

宇宙中有4種基本作用力：強核力、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，它們會傾向於朝宇宙的中心（地球）運動，即下落。他認為，由於空氣和火較輕，於是它們會朝遠離中心的方向運動，即上升。但是這些趨勢只存在於不完美的月下世界。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，它可以讓天體不受干擾地旋轉。

要理解亞里士多德的觀點，我們需要忘記所有在高中學的物理。引力不是一種力，只是描述土和水的基本性質。就像追逐貓是狗的天性一樣，朝向宇宙中心運動也是土和水的「天性」。雖然對引力的認識不斷深入，但在2 0 0 0年的時間裡很少有人真正向亞里士多德的理論發起過挑戰。

腳踏實地

公元7世紀的印度數學家婆羅摩笈多和公元1 0世紀的伊斯蘭學者阿爾伯魯尼則認為，引力的機理類似於磁鐵，但這都不足以撼動亞里士多德的「霸主」地位。它的第一個危機來自哥白尼和伽利略所引發的對太陽系認識的變革。如果他們是正確的——太陽是宇宙的中心，地球繞太陽轉動，亞里士多德的引力理論就會土崩瓦解。基於推理而不是觀測和實驗，亞里士多德的觀點需要把地球置於宇宙的中心。如果太陽取而代之成為中心，所有的重物都會因此飛進太空。

更重要的是，亞里士多德的引力理論會使得重物下落得比光還快。由於包含更多的物質，因此重物會具有更強的趨勢朝向宇宙中心運動，因此運動的速度會更快。亞里士多德認為這是事實，但伽利略並不同意這一觀點。他提出了一個問題，如果你把兩個不同重量的物體用繩子綁在一起會發生什麼？根據亞里士多德的觀點，較重的物體下降的速度較快，其下落的速度會超過較輕的物體；因為繩子的拉力，較輕的物體會使得較重的物體減速，最終它們整體的下落速度會介於兩者之間。然而，作為一個整體，其總重量要超過構成它的任何一個物體，因此也會下落得更快。這兩個結論完全相互矛盾。

雖然伽利略幾乎可以肯定沒有如傳說的那樣在比薩斜塔上通過自由落體實驗發現物體會同時落地，但他確實用由軟木和鉛所做的擺錘做過單擺實驗。他認為，鉛的重量超過軟木錘1 0 0多倍。伽利略的實驗顯示，它們擺動的速率相同，因此受引力作用下落的速度也相同。他還在斜面上通過滾落球體來測量引力的效應。伽利略明確地指出是「吸引力」讓物體落向地球。

把引力納入科學和數學框架之下的是牛頓。目前還不清楚他是否真的是因為看到蘋果下落而受到啟發，但他自己是這麼說的。1 7 2 6年4月，在與考古學家威廉· 斯蒂克利（William Stukeley）的長談中，牛頓說是一個蘋果的下落讓他思考為什麼蘋果總是垂直落地。

根據斯蒂克利的說法，牛頓認為蘋果是被地球的「吸力」所牽引的，而這一作用力必定正比於質量。蘋果會吸引地球，地球也會吸引蘋果。但還不止於此，牛頓提出了「萬有引力」的概念，這是一次飛躍。他打破了亞里士多德的月球屏障，讓這個相同的作用力存在於整個宇宙。他意識到是引力在維持行星沿軌道繞行，否則它們就會沿一條直線飛出去。

所有這一切以及其他的內容都一同寫進了牛頓的傑作《自然哲學的數學原理》中。這本書通常也簡稱為《原理》，用拉丁文寫成，不容易閱讀，還使用了遠超一般水平的幾何知識。它對引力的關鍵認識可以概括成一句話：引力的強度正比於物體的質量，反比於物體間距離的平方。對牛頓而言，他的引力定律和運動定律足以用來描述行星和衛星的運動以及物體的下落。毫無疑問，這是一個偉大的勝利。

不過，牛頓也留下了一個空缺——引力在遙遠的距離上是如何作用的？他在《原理》中寫道：「我對此沒有任何假說。」牛頓暗示，他的競爭對手會就此挑事。不過，這一解釋上的空缺仍使得牛頓受到了攻擊，特別是對他「吸引力」一詞的使用。今天，我們會很自然地用「吸引力」來稱呼或者描述引力，但這在當時僅僅是出於浪漫上的意義。對1 7世紀的人來說，「吸引力」聽上去就好像地球是因為某種曖昧而圍繞太陽轉動的。

牛頓的工作並不孤立。例如，他偉大的競爭對手羅伯特·胡克（Robert Hooke）曾提出，引力呈「平方反比定律」，會隨著距離平方而減弱，但胡克一直無法成功地運用數學來支持他的觀點，是牛頓建立起了整個恢宏的體系。

威廉·斯蒂克利

尼古拉·法蒂奧·德迪耶

喬治- 路易·勒薩熱

解釋引力

對於引力是如何作用的，牛頓確實有一些自己的想法。和許多人一樣，他懷疑空間中充滿一種不可見的物質，它們可以傳遞引力。隨著時間的變遷， 這一引力的力學模型變得日益複雜。最為流行的是由瑞士物理學家尼古拉· 法蒂奧·德迪耶（Nicolas Fatio deDuillier）和喬治-路易·勒薩熱（George-Louis Le Sage）各自獨立提出的觀點，認為空間中充滿了不可見的微小粒子，它們會從四面八方不斷地撞擊物體。當有東西出現在地球的運動軌跡上時，地球會遮擋從它所在的方向飛來的粒子，其餘粒子會把這個物體推向地球。

這聽上去實在太不可思議了。但直到愛因斯坦出現，人類才對引力有了更好的認識。在1905年後，他對引力有了突 破性的想法，寫了3篇改變物理學的論文。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（為他贏得了諾貝爾獎）並提出了狹義相對論。在狹義相對論中，看似固定的物理量，例如質量、長度和時間，都會隨著你的視角改變而發生變化。

兩年後，愛因斯坦坐在瑞士伯爾尼的專利局裡，有了他自己所說的最快樂的想法。愛因斯坦後來說：「突然之間，我產生了一個念頭，如果一個人自由下落，他不會感覺到自己的體重。我吃了一驚。這個簡單的想法給我留下了深刻的印象。它促使我去追尋一個有關引力的理論。」

引力和光

愛因斯坦所意識到的是，引力和加速度是等效的，並沒有什麼區別。例如，如果你在一艘沒有窗戶的飛船中發現自己受到了能產生9.8米/ 秒2加速度的拉力，那麼有兩種可能的解釋：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。你的儀器無法區分這兩者的差異。但是，如果真是這樣，那它將會告訴我們一些有關引力的奇怪性質。

如果我們想像一束光穿過了正在加速的飛船，這光束會由於飛船在運動而看上去朝某個方向彎曲。但由於加速度和引力是等價的，那麼在引力場中同樣的光束也會發生彎曲。愛因斯坦意識到引力會彎曲空間。一個大質量天體附近扭曲的空間會使得本該沿直線運動的任何東西都改走曲線。行星的軌道如此，光也是如此。

事實上，他的發現其實比這還要詭異。雖然彎曲的空間可以解釋行星的軌道，但它並沒有告訴我們為什麼蘋果會下落。對物體而言沒有理由會開始運動。這其實是大質量的物體彎曲了周圍的時空，進而使得物體開始運動。時空這一概念源於狹義相對論，將時間和空間視為一個整體。用來描述這一切的數學極為複雜，即便是愛因斯坦也不得不尋求幫助，但原理很簡單。

愛因斯坦為牛頓的理論建立了一個框架，使之可以奏效。更重要的是，愛因斯坦所提出的這個理論，即廣義相對論，做出了一些有別於牛頓理論的預言，而實驗則已經證明廣義相對論與現實相符。

從許多方面來看，有關引力的理論似乎已經完整了。愛因斯坦的理論能被用來預言一切，從黑洞的存在到宇宙隨時間的演化。但在我們的認識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，它們並非是連續的，具有最小的單元，被稱為量子。由此，也應該存在一個引力的量子理論，但至今還沒有建立起這樣一個理論。有一段時間，弦理論看上去似乎可以為此提供答案，但有越來越多的科學家擔心，這個完全由數學所驅動的概念永遠也無法做出有用的預言，而其他的理論——例如圈量子引力理論——則日益興盛。

引力和我們

我們對引力的現代認知表明，它的重要性遠超古人的預計。引力不僅讓物體留在地面上，也使得旋轉的氣體和塵埃雲坍縮成了太陽系。是引力和量子效應一起使得太陽核心發生核聚變，產生光和熱，進而賦予了我們生命。

在太空中進行的實驗甚至表明，對生命而言，引力是必不可少的東西。沒有引力，植物的根系很難生長。在國際空間站上的一個實驗已經證明，鳥類的蛋需要在有引力的環境中才會發育。在低重力環境下，人的骨質和肌肉都會流失，肺部則會遭受因其他器官上移而導致的壓迫，整個人的健康狀況會由此出現惡化。

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，為什麼它會比其他的作用力弱得多。如果你懷疑這一點，可以試著用電磁力和它進行比較：一塊小小的磁鐵就能戰勝整個地球所產生的引力，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的框架。但得益於牛頓和愛因斯坦的工作，這一基本作用力已不再完全是一個謎。

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