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五个关于引力的重要事实

我们平时很少去考虑引力,也许在冰面上滑倒或在楼梯上绊倒时,我们才会想到它。对于许多古代思想家来说,引力更是不被看作一种力——它只不过是使物体朝着地球中心落下的一种自然倾向,而行星等天空深处的物体却不受影响。

当然,我们现在知道引力能做的事情可不只是让我们摔倒。例如,它控制着行星绕太阳的运动,能把星系结合在一起,还决定着宇宙的基本结构。我们还把引力与电磁力、弱核力和强核力一起看作是自然界中四种基本作用力。

今天,我们仍然没有掌握关于引力的一切,包括它如何与其他作用力协调在一起。但在这里,有5个我们所知道的关于引力的重要事实。

① 引力是我们所知道的最弱的力

静电力有吸引力也有排斥力,但引力只会吸引,并没有排斥版本的力,而且作用范围没有距离的限制。尽管引力强大到足以使星系成为一体,但是它是如此之弱,你每天都可以战胜它——你拿起一本书,你就成功地抵消了地球对书的引力。

与其他作用力相比,引力实在是太弱了。例如,原子内一个质子和一个电子之间的电磁力,大约是它们之间引力的1030倍。事实上,引力太弱了,以至于物理学家都不知道它究竟弱到了什么程度。

② 引力会产生能以光速传播的波

广义相对论预言出了引力波。如果两颗恒星、中子星或黑洞互相绕着对方旋转,那么它们就会辐射出引力波。引力波携带能量,这样两颗星体就会因损失能量而彼此靠近。事实上,地球绕着太阳时也会辐射出引力波,但损失的能量实在是微不足道。

之前,我们只是有一些间接证据证明引力波的存在。而最近,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)直接检测到了引力波。探测到的引力波是两个黑洞在10多亿年前合并时产生的。

广义相对论认为,引力波的传播速度为光速。如果太阳发生的剧烈变化,产生的引力波,会从发生地点以光速传播出去。比如说,如果太阳突然发生坍缩,其产生的影响会在8分钟后才到达地球。

③ 为解释微观世界的引力,物理学家

开始迷恋圈和弦

大自然中其他三个基本作用力,可以用描述微观尺度的量子理论来分析,具体地说,这个量子理论叫做标准模型。然而,我们仍然没有一个完善的理论,来解释微观下的量子引力,尽管物理学家正在尝试寻找中。

一种量子引力理论的候选者,叫做圈量子引力论,它使用了来自量子物理学中的技术来描述时空的结构。它提出时空在最微小的尺度上是由一块块分散的结构构成的,与物质是由一堆粒子构成的类似。物质只能在类似柔软网格的时空结构中,从一点跳到另一点。在这种假设下,圈量子引力论可有效地描述远小于原子尺寸的空间中引力的性质。

另一个著名的量子引力理论候选者,就是弦理论。它认为粒子都是振动着的微小的弦。但不管是圈量子引力论、弦理论还是其他的理论,目前都无法提供微观世界下引力的可检测的细节。

④ 可能存在传递引力的粒子

在标准模型中,粒子之间的作用力,都是借助其他粒子进行传递的,例如传递电磁力的粒子就是光子。在量子引力理论中,传递引力的粒子被称为引力子。

目前,我们还无法确定引力子是否真的存在。不过,我们可以根据一些量子引力理论,推测出引力子的一些性质。例如,如果引力子有质量,实验人员可能早就会发现一些蛛丝马迹,因此它们可能应该与光子一样是没有质量的,但仍不能排除它们会具有非常微小的质量。

⑤ 量子引力在最小尺度下现身

引力很弱,但当两个物体靠近时,它就会变强。在普朗克尺度(约为1.62×10-33厘米,理论上宇宙中可检测到的最小长度)下,引力最终会赶上其他作用力,强度变得与其他的力差不多。这意味着量子引力可能会强大到足以被检测的地步,但是普朗克尺度太小了,当前实验技术很难触及到这个地方。

也有一些理论认为,量子引力在靠近毫米尺度时就能显现,但是我们还没有检测到这种影响。其他人正使用更具创造性的办法,来放大量子引力效应,例如检测超冷温度下的原子集合,或检测巨大的金属条的振动等。

看来,从最小的尺度到最大的尺度,引力都吸引着科学家的注意。当你下次摔倒时,可以想想引力的这些方面,也许会感到一丝安慰。

本文源自大科技〈科学之谜〉 2017年第12期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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