宇宙秩序規(guī)則的締造者-引力，這個(gè)定義似乎沒(méi)錯(cuò)，因?yàn)樵谖覀冇^測(cè)到的所有天體的運(yùn)行，無(wú)一不遵循引力的規(guī)則，那么真實(shí)我們這個(gè)宇宙的“上帝”？其實(shí)未必，因?yàn)槲镔|(zhì)世界規(guī)則締造者有四個(gè)，而引力只是其中一個(gè)而已。
一、物質(zhì)世界的主導(dǎo)
物質(zhì)世界有四種基本作用力，分別是引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和若相互作用力，它們應(yīng)對(duì)的范圍各不相同，在各自的崗位上各司其職。
在天體層面上主導(dǎo)的的引力
在分子和原子的尺度下主導(dǎo)的是電磁力
在原子核和強(qiáng)子的尺度，主導(dǎo)的是強(qiáng)作用力
在輕子和夸克的尺度內(nèi)，主導(dǎo)的是弱項(xiàng)作用力
當(dāng)然引力可囊括一切，這理解并沒(méi)有錯(cuò)，但在微觀尺度下，引力的作用基本是可以忽略的。猶如強(qiáng)龍不壓地頭蛇，在微觀世界中的界限劃分可是很清楚的。
我們的物質(zhì)世界有起到磚塊作用的費(fèi)米子和粘合作用的玻色子組成，盡管在粒子模型中名字各異，但都可以歸類(lèi)到這個(gè)大類(lèi)里，比在帶電粒子之間傳遞電磁力的是光子，夸克間起到粘合作用的是膠子，而弱相互作用則是又由W和Z玻色子傳遞！
基本作用力的傳遞說(shuō)完了？對(duì)，說(shuō)完了！
為什么只說(shuō)了三個(gè)，傳遞引力的引力子呢？被吃掉了嗎？實(shí)在抱歉種花家根本吃不了引力子，但也不能憑空創(chuàng)造出一個(gè)引力子，至少在現(xiàn)在，它還沒(méi)有在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中出現(xiàn)的資格，因此對(duì)廣義相對(duì)論的量子化道路上仍然很漫長(zhǎng)哦。介紹引力，我們還是得從牛頓經(jīng)典力學(xué)開(kāi)始！
預(yù)測(cè)中的引力子，我們祝愿物理學(xué)家早日找到。
二、從牛頓的萬(wàn)有引力到愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論
聽(tīng)說(shuō)牛頓被蘋(píng)果砸到了才發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力，當(dāng)然這個(gè)橋段你可以繼續(xù)當(dāng)故事講給你家小朋友聽(tīng)，但卻不合適在正式場(chǎng)合引用，除非你打算活躍一下氣氛！他發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律是因?yàn)楦绨啄岬娜招恼f(shuō)，以及開(kāi)普勒的行星三大定律給他架好了梯子，所以牛頓才會(huì)說(shuō)“他站在巨人的肩膀上”，盡管他現(xiàn)實(shí)中毫不客氣，比如他就仗著英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)的權(quán)利擺了萊布尼茲一道。
當(dāng)然我們今天并非是萊布尼茲抱不平，因?yàn)槲⒎e分思想、方法與符號(hào)的都是萊布尼茲的。我們討論萬(wàn)有引力，現(xiàn)在理解起來(lái)很簡(jiǎn)單，如上圖，無(wú)論天體質(zhì)量大小如何，它們之間的引力都是相等的，這與它們之間的質(zhì)量之積成正比，與它們距離的平方成反比，當(dāng)然還有一個(gè)萬(wàn)有引力常數(shù)，直到牛頓去世都還沒(méi)測(cè)出G的值是多大，但在70年后卡文迪許巧妙的用扭稱解決了這個(gè)難題。自此萬(wàn)有引力定理大行其道，天體間所有行為都可以以此為基礎(chǔ)展開(kāi)計(jì)算。
萬(wàn)有引力的尷尬
是什么傳遞了萬(wàn)有引力？因?yàn)樵谂ｎD時(shí)代對(duì)力理解是力的傳遞必須要有一種介質(zhì)，會(huì)是哪種介質(zhì)呢？真空肯定不能傳遞力，因此可愛(ài)的牛頓勛爵“盜用”了亞歷山多德“以太”的概念，他認(rèn)為宇宙中充滿了看不見(jiàn)的“以太”傳遞了萬(wàn)有引力！
經(jīng)典力學(xué)“以太夢(mèng)”的破滅
牛頓成功的將萬(wàn)有引力的傳遞媒介給粗暴的解釋了，但他管殺不管埋，“以太”這種物質(zhì)就只能讓后人來(lái)尋找了，但這個(gè)“以太”的概念困擾了西方科學(xué)界數(shù)百年，直到一個(gè)經(jīng)典的、足以驗(yàn)證“以太”的物理實(shí)驗(yàn)展開(kāi)，但它驗(yàn)證的卻不是“以太”存在，而是從根本上否定了以太。
邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)
其實(shí)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)很單純，受到經(jīng)典力學(xué)的影響，當(dāng)時(shí)的科學(xué)界認(rèn)為光的傳播介質(zhì)也是“以太”，那么問(wèn)題來(lái)了，地球環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)速度30千米/秒，那么肯定會(huì)有“以太風(fēng)”，而光在以太風(fēng)傳播肯定會(huì)受到影響。
邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)裝置
但原本證明以太的實(shí)驗(yàn)卻否定了以太，這讓牛頓情何以堪呢？幸虧在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)之時(shí)已經(jīng)是1887年，此時(shí)距離牛頓去世已經(jīng)將近160年，要不然讓牛頓老臉往哪兒擱??！其實(shí)這還有個(gè)故事，盡管邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在，但當(dāng)時(shí)莫雷并不相信自己驗(yàn)證的結(jié)果，而是反復(fù)與米勒設(shè)置改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，試圖找出問(wèn)題所在，而且各路人馬也加進(jìn)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的大軍。
設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，條件越來(lái)越苛刻，最終結(jié)果卻逐漸趨向于測(cè)量誤差。當(dāng)然現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確無(wú)誤的推翻了上述各種結(jié)論，但在此之前洛倫茲等科學(xué)家早已認(rèn)為所謂的以太速度不過(guò)就是誤差而已。
水星進(jìn)動(dòng)-屋漏偏逢連夜雨的牛頓經(jīng)典力學(xué)
牛頓經(jīng)典力學(xué)就像一艘到處破了洞卻還在大海上行駛的船，以太這個(gè)大洞還沒(méi)補(bǔ)上，卻又破了一個(gè)水星進(jìn)動(dòng)的大洞，其實(shí)準(zhǔn)確的說(shuō)，水近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)這個(gè)大洞還破的更早一些！
在萬(wàn)有引力的理想狀態(tài)下，行星在圍繞恒星公轉(zhuǎn)時(shí)，比如一顆恒星與一顆行星的條件下，行星的軌道會(huì)是一個(gè)永遠(yuǎn)都不會(huì)改變的橢圓但穩(wěn)定的軌道，但當(dāng)這個(gè)恒星系有其他行星時(shí)，會(huì)受到各種干擾，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，如上圖，這種軌道進(jìn)動(dòng)是可以被觀測(cè)和計(jì)算的。但1859年法國(guó)天文學(xué)家勒維耶發(fā)現(xiàn)水星的實(shí)際軌道進(jìn)動(dòng)與預(yù)期的并不十分相符，在觀測(cè)水星軌道的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相違背：
觀測(cè)結(jié)果：5,600.73角秒/100年
計(jì)算結(jié)果：5,557.62角秒/100年
兩者相差43.11角秒（其實(shí)勒維耶觀測(cè)的差異是38角秒），這就是水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問(wèn)題的由來(lái)，當(dāng)時(shí)的解釋也五花八門(mén)，甚至還懷疑水星軌道內(nèi)還有一個(gè)天體。
當(dāng)然我們現(xiàn)在知道水星進(jìn)動(dòng)問(wèn)題是因?yàn)樗瞧穆屎芨?，近日點(diǎn)距離太陽(yáng)很近時(shí)在太陽(yáng)巨大質(zhì)量導(dǎo)致彎曲時(shí)空中運(yùn)行，它所經(jīng)過(guò)的真正距離與遠(yuǎn)日點(diǎn)是有差異的。
廣義相對(duì)論
如果用一句話來(lái)概括廣義相對(duì)論的話，那么用“引力是時(shí)空的幾何”是最合適的，在這里有一個(gè)很關(guān)鍵的名詞是時(shí)空，廣義相對(duì)論中認(rèn)為時(shí)空是一個(gè)不可分割的整體，空間的幾何變化同時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間的變化。廣義相對(duì)論將宇宙時(shí)空這個(gè)不可分割的結(jié)構(gòu)看成是一個(gè)彎曲的黎曼流形，可以用數(shù)學(xué)中的黎曼度量來(lái)定義這個(gè)空間的彎曲。廣義相對(duì)論認(rèn)為這個(gè)量就是天體引力交互的作用勢(shì)。
上圖是愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程，當(dāng)然早期還有一個(gè)宇宙常數(shù)。這個(gè)方程在計(jì)算球?qū)ΨQ天體引力場(chǎng)的引力與牛頓萬(wàn)有引力公式是相同的，這表示廣義相對(duì)論可以完美包容牛頓的萬(wàn)有引力，并且還補(bǔ)上牛頓萬(wàn)有引力傳遞介質(zhì)“以太”的超級(jí)大坑。另外順帶將掉在水星進(jìn)動(dòng)迷霧中的一大波天文學(xué)家拉了出來(lái)。
“宇宙時(shí)空的彎曲 =引力場(chǎng)”
美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒對(duì)廣義相對(duì)論的理解可謂是一針見(jiàn)血：“質(zhì)量告訴時(shí)空怎么彎曲。時(shí)空告訴質(zhì)量怎么運(yùn)動(dòng)”，不理解廣義相對(duì)論這完全沒(méi)有問(wèn)題，但一定要記得這句話，因?yàn)檠bB的時(shí)候到了。
當(dāng)然愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程驗(yàn)證理論并不只有水星進(jìn)動(dòng)，還有1919年英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓帶隊(duì)驗(yàn)證廣義相對(duì)論預(yù)言的日食光線彎曲，以及后期的觀測(cè)到引力透鏡現(xiàn)象（愛(ài)因斯坦環(huán)，愛(ài)因斯坦十字架），這都在實(shí)際觀測(cè)中驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的理論模型。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的愛(ài)因斯坦環(huán)，猶如一層“日暈”的效果就是引力透鏡效應(yīng)。
愛(ài)因斯坦十字架，看起來(lái)像一片苜蓿葉，其實(shí)是前景星系的強(qiáng)大引力場(chǎng)，把遙遠(yuǎn)類(lèi)星體的光，分裂成了四個(gè)單獨(dú)的圖像。
當(dāng)然這個(gè)引力透鏡效應(yīng)也成了確定暗物質(zhì)分布的有力工具，比如國(guó)家天文臺(tái)舒軼平博士和毛淑德研究員就通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡合作觀測(cè)期間選擇了背景天體為萊曼alpha發(fā)射體的引力透鏡來(lái)提高暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的精度，因?yàn)楸尘疤祗w越小，能探測(cè)到暗物質(zhì)子暈的質(zhì)量就越低，萊曼alpha發(fā)射體是大質(zhì)量恒星系的種子星系，能將靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。
哈勃獲得的21個(gè)強(qiáng)引力透鏡候選者，圍繞著前景透鏡星系的藍(lán)紫色結(jié)構(gòu)就是背景萊曼alpha發(fā)射體的多重像。
三、產(chǎn)生引力的彎曲空間還是引力子？
迄今為止能夠驗(yàn)證天體運(yùn)行理論模型的依然是彎曲空間，當(dāng)然LIGO在2015年9月14探測(cè)到引力波事件只是引力彎曲空間理論上的神補(bǔ)刀而已。而引力子則到現(xiàn)在為止還停留在傳遞引力的“假設(shè)粒子”階段，對(duì)于未來(lái)是否會(huì)發(fā)現(xiàn)“引力子”，這是一個(gè)問(wèn)題，但追求事件背后的本質(zhì)一直都是人類(lèi)探索未知世界的原動(dòng)力，無(wú)論未來(lái)會(huì)驗(yàn)證出什么結(jié)果，這都是人類(lèi)科學(xué)的進(jìn)步。
“宇宙很奇妙，但我們想了解其本質(zhì)”--星辰大海路上的種花家
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