從萬有引力到相對論再到量子力學，探索引力的本質

引力（英語：Gravitation、Gravity），又稱重力相互作用（Gravitational Interactions），是指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢，也是自然界的四大基本相互作用力之一，另外三種相互作用分別是電磁相互作用力、弱相互作用力及強相互作用力，萬有引力是上述相互作用中作用力最微弱的，但是在超距上仍然具有吸引力的作用。在經典力學中，萬有引力被認為來源於質量的力的作用。在廣義相對論上，萬有引力來源於存在質量對時空的扭曲，而不是一種力的作用。 在量子引力中，引力微子被假定為重力的傳送媒介。

任意兩個物體或兩個粒子間的與其質量乘積相關的吸引力。自然界中最普遍的力。簡稱引力，有時也稱重力。兩個質子間的萬有引力只有它們間的電磁力的1/1035，質子受地球的引力也只有它在一個不強的電場1000伏/米的電磁力的1/1010。因此研究粒子間的作用或粒子在電子顯微鏡和加速器中運動時，都不考慮萬有引力的作用。一般物體之間的引力也是很小的，例如兩個直徑為1米的鐵球，緊靠在一起時，引力也只有1.14×10-3牛頓，相當於0.03克的一小滴水的重量。但地球的質量很大，這兩個鐵球分別受到4×104牛頓的地球引力。所以研究物體在地球引力場中的運動時，通常都不考慮周圍其他物體的引力。天體如太陽和地球的質量都很大，乘積就更大，巨大的引力就能使龐然大物繞太陽轉動。引力就成了支配天體運動的唯一的一種力。恆星的形成，在高溫狀態下不彌散反而逐漸收縮，最後坍縮為白矮星、中子星和黑洞，也都是由於引力的作用，因此引力也是促使天體演化的重要因素。得偏離了原來的方向。

但是對為什麼產生引力目前沒有解釋。近代物理（廣義相對論）認為萬有引力是由於時空彎曲而產生。眾所周知，兩點之間線段最短，這是在平面幾何中的公理，這線段就是短程線。然而，在被彎曲的四維時空里，短程線也被彎曲了。因此受到引力作用，行星沿短程線向太陽靠近，由於質量巧合（包括速度巧合）的原因，又因為行星具有慣性（很多人理解成離心力，這是錯的，離心力只是假象，宇宙中根本並不存在離心力，至少現在沒有發現），從而周而復始的繞太陽按橢圓軌道公轉。當質量不巧合時，會出現引力跳板現象，或撞向太陽。其中，構成天體系統的主要原因並不是引力，而是質量所引起的時空扭曲。

在地球上重力的吸引作用賦予物體重量並使它們向地面下落。此外，萬有引力是太陽和地球等天體之所以存在的原因；沒有萬有引力天體將無法相互吸引形成天體系統，而我們所知的生命形式也將不會出現。萬有引力同時也使地球和其他天體按照它們自身的軌道圍繞太陽運轉，月球按照自身的軌道圍繞地球運轉，形成潮汐，以及其他我們所觀察到的各種各樣的自然現象。

早在1679年，著名科學家牛頓提出了萬有引力定律，認為天體間因有質量而有引力，並且發現了引力對一切物體的作用性質都是相同的。例如，當地球引力把任何一個物體吸引到地面時，其加速度是9．8米／秒』。很顯然，牛頓所提出的引力，實際上就是重力。但是引力是如何實現的呢?它的作用機制是什麼?萬有引力定律不能解答。

引力與電力有相似之處，如二力均與物體間距離的平方成反比，與兩物體所帶力荷(引力是質量，電力是電荷)的乘積成正比。但二力的比例係數相差懸殊，電力遠遠大於引力。例如，在氫原子中，原子核與電子間的電吸引力是它們間引力的 1040倍!二力間還存在一些其他的差別，如(兩物質的)同性電荷間存在相互排斥力，異性電荷間存在吸引力，而萬有引力卻總是吸引力。

1916年愛因斯坦廣義相對論的問世，提出了嶄新的引力場理論。他認為由引力造成的加速度，可以同由其他力造成的加速度區分開來。這個命題就是愛因斯坦的等價原理，即一個加速系統與一個引力場等效。我們設想，一個人在遠離地球的太空中乘一架升降機上升，上升的加速度為9.8米／秒·平方，由於速度變化產生了阻力，這個人雙腳會緊緊壓在升降機的底板上，就像升降機停在地球表面上不動一樣，但無法說明他所受到的是引力還是慣性。因此，牛頓所說的萬有引力，在愛因斯坦看來，根本不是什麼引力，而是時空的一種屬性。在這種成曲線的四維時空連續體中，根本不需引力．天體是按自己應有的曲線軌道運行的。

1918年愛因斯坦根據引力場理論預言有引力波存在。他認為高速運動著(加速運動)的物質會輻射引力，引力波就是這種引力的載體，就像光波是電磁力的載體一樣。引力波的速度與真空中的光速相同。例如，在太陽和地球之間就是靠引力波傳遞引力子而實現相互作用的。因此，引力波存在與否，是廣義相對論的又一個關鍵性驗證。引力波非常微弱。據計算，用一根長20米、直徑1.6米、重500噸的圓棒，以28轉／秒的轉速繞中心轉動，所產生的引力波功率只有2.2× 10的負29次方瓦；一次17000噸級核爆炸，在距中心10米處的引力波充其量也只有10的負16次方瓦／厘米·平方。

按照愛因斯坦的理論，自然界也應存在引力波，正如電荷的運動會產生電磁波一樣，物體的運動也會產生引力波，引力波的傳播速度為光速。這是電力與引力間又一個重要的相似特性。但只有宇宙中具有巨大質量(幾倍於太陽質量)的運動天體才可能產生強烈的引力波。

最早動手檢測引力波的是美國馬里蘭大學的物理學家韋伯博士。60年代他建立了世界上第一套引力波檢測裝置：一根長153厘米、直徑61厘米、重約1.3噸的圓柱形鋁棒——後人稱之為韋伯桿，橫搭在由兩個鐵柱子支著的鋼絲上。鋁桿質量雖大，鋼絲卻幾乎無絲毫振動。韋伯推測，鋁桿若能接收到來自太空的一束強引力波，就會擺動起來，但擺動很可能是很輕微的，他估計擺動幅度可能只有原子核直徑(10的負15次方米)那麼大，附近卡車開過等引起的地面震動均可能導致韋伯桿產生如此幅度的振動。為確認檢測的確實是引力波，他還在 1000公里之外的芝加哥阿崗國家實驗室安裝了一個類似的儀器。他想，假如有一個引力波掃過整個太陽系的話，則兩個儀器都會同時作出同樣的反應。1969年6月，他宣布檢測到了引力波。現在一般認為，韋伯的實驗結果有誤。

韋伯檢測器工作在室溫(27℃左右)環境，由於受分子熱運動雜訊的限制，最高靈敏度只能達10的負16次方量級，用來檢測引力波尚不可能。

1974年美國人泰勒領導的實驗小組，用射電望遠鏡對天空掃描，發現了離地球15000光年的一顆脈衝星發出的脈衝信號，又經過近4年的觀測，間接證實了引力波的存在。脈衝星是急速旋轉的中子星，它是一個內部停止了核燃燒而被壓得極端緊密的恆星體。它與另一個中子星一起相互繞轉，構成一個雙星體系。按照愛因斯坦的理論，這個雙星體系應能發射引力波，從而帶走一些能量，使雙星軌道慢慢縮小，周期慢慢變短。這些變化儘管都很微小，卻可以從它們發出的脈衝信號到達地球的時間精確計算出來。4年的觀測表明：雙星軌道周期總共減少了萬分之四秒。這個結果恰好與愛因斯坦的理論相符。這是人類第一次間接證實了引力波的存在。但是，這畢竟是間接證明，還不能由此得出引力波真實存在的結論。

70年代中期到80年代中期，出現了工作在低溫條件下的第二代引力波檢測器(韋伯檢測器為第一代)。如美國斯坦福大學建成了低溫引力波天線裝置：天線是圓柱形的鋁棒，長3米，重4.8噸，工作在液氮溫區，靈敏度達5×10的負19次方，能檢測出振幅為1.5×10的負16次方厘米即約千分之一原子核半徑或者一百萬億分之一頭髮直徑的振動。日本東京大學平川諾平教授的引力波檢測工作也令人耳目一新。其眾多實驗均以頻率為千赫量級的高頻引力波為檢測對象，這是與科學家迄今所知道的最強天體引力波源相對應的。平川則創製了一種共振低頻引力檢測器(方形或扭擺型天線)，明確以蟹狀星雲中的高速自轉脈衝中子星NP0531+21為檢測對象，該星自轉周期為33毫秒，所發引力波到達地面的強度約為10的負27次方量級。平川的引力波檢測器分別設立在東京和筑波科學城，經在低溫條件下的長時間積累，靈敏度已達10的負25次方。

在進入20世紀80年代之後，前蘇聯科學家烏恰耶夫又提出了「中微子引力論」。

傳統理論認為，中微子不帶電荷，無靜止質量，它以光速運動，幾乎不與物質發生作用，可以順利穿過地球。但是近年來發現中微子還是有靜止質量的，不過其質量極小，約10的負32次方克。科學上發現的中微子實際上有三類：電子類、μ介子類和，介子類。例如，在太陽核聚變反應中輻射的是電子類中微子，它們在到達地球前某個時候就已經變成了μ介子類或，介子類中微子了。如果一類中微子能變成另一類，它們就必須具有一定的質量了。有質量就可能對物體造成衝力。烏恰耶夫以「中微子氣」代替引力波，認為在充滿宇宙間的中微子氣中，中微子以亞光速進行著雜亂無章的運動，其中一部分總是要被天體吸收的，結果每一天體都獲得一種「脈衝力」，此脈衝力大小等於其吸收的中微子質量與其速度乘積。在日地系統中，地球向日面承受的中微子流比背日面要弱，由此產生的脈衝力恰好抵消地球繞太陽運動的離心力。宇宙間各天體運動都可以如此解釋。在這裡根本不需要吸引之力。當然，這個理論只是一種探討，並無實驗事實作依據。不過由於中微子在宇宙演化過程中起著重要作用，對它的認識還有待進一步深化。因此，烏恰耶夫的說法或許是有一定道理的。那麼，引力的本質到底是什麼?是重力，引力波，還是中微子?

20世紀與萬有引力相關的兩大科學發現之一是，1967年劍橋大學的女碩士研究生貝爾，與其導師休伊特發現一顆脈衝雙星。他們通過對這對脈衝雙星的運動周期的精確測定證實，與愛因斯坦的廣義相對論所預言的結果一致，這對脈衝雙星的運動周期的變慢速度與基於廣義相對論計算的引力輻射是一致的。

在經典物理學框架內，貝爾與休伊特的觀測結果直接支持了愛因斯坦1916年發表的關於引力場理論的廣義相對論，但是，引力的本質是什麼，仍然是未知的。

到了20世紀80年代，理論物理學家們認識到，要想真正揭示引力的本質，必須將引力場量子化，即將引力理論與普朗克提出的量子理論融合。在這種設想之下，理論物理學家提出了近10種將引力量子化的理論，其中最引人注目的是美國加州大學的青年理論物理學家愛德華·威騰提出的「宇宙弦理論」。該理論用「弦」的概念替代通常的「粒子」概念，將粒子之間的相互作用用弦的振動描述，在此基礎上。將引力的本質描述成「弦」的振動態。

雖然威騰的理論從物理學家角度看是一個很合理的理論，但是，要想在實驗上觀測到「弦」在目前看來根本不可能。因為在威騰的理論中「弦」的幾何尺度只有10米～30米的尺度，近似所謂的「普朗克尺度」，所以到了20世紀末，理論物理學家們幾乎失望地又回到老路上，引力是否可以量子化的難題仍然如故。

俗話講．「柳暗花明又一村」，雖然引力量子化的各種努力目前看來仍然是徒勞的，但進入20世紀90年代，天文學的觀測發現為人類重新認識引力打開了一扇大門。這就是繼貝爾和休伊特的發現之後的可稱上20世紀關於萬有引力的第二大發現——宇宙暗物質與暗能量的存在。

由於暗物質是目前採用光學與射電天文望遠鏡都無法直接測知的物質，這裡自然使物理學家們聯想到，這類物質是不和電磁相互作用的傳播載體——光子相互作用的。而我們知道，通常情況下光子是直接與物質發生相互作用。暗物質的這種奇特性質自然使物理學家們相信物質與光子的作用方式還有未知的特性，這些未知預示著引力相互作用與電磁相互作用在宇宙中某種神秘的尚未知的聯繫，這就為人類在大尺度上設想將引力與電磁力的統一提供了一個認識的入口。

進入21世紀，新的天文觀測逐步證實，暗物質在宇宙中普遍存在。同時，又發現了與暗物質相伴的宇宙暗能量約佔宇宙總質量超過70％，也就是說，我們可視的宇宙中的物質只有不到30％，其餘大部分是暗物質。

自從探測暗物質的宇宙探測器發射到太空去，一旦人類找到暗物質為什麼不與光子相互作用的實驗證據，則人類離揭開引力之謎就為期不遠了。

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