你懂宇宙的4大作用力吗?在时空中,只有“重力”才是真正的老大

宇宙四大天王:重力、电磁力、强力、弱力

主宰人类的重力,竟是宇宙的霸主?

做父母的,总是时时刻刻担心孩子,不知道他有没有被别人欺负?在路上有没有跌倒?不管有几个孩子都一样,没有一天不为他们烦恼。尤其是体弱多病的子女,更是费尽心思地照顾。还没有成为父母前,无法理解这样的心情,这就是所谓的天下父母心。

“重力”的存在已完全融入日常生活中

天地初开之际,宇宙也孕育了多种力量形态的子女。如果能像美国漫画《地球超人》一样,当分别带有土、火、风、水、心灵的力量合而为一时,地球超人就会出动了。漫画中的世界固然理想,而宇宙历经千辛万苦,也只生下了四种能力。它们在极短的时间内诞生下来,所以也可以说它们是四胞胎。若要分出长幼顺序,依次是:重力、电磁力、强力和弱力。年纪最长、身体却最虚弱的重力,就是今天的主角。

首先,如果你什么事都没做,却发生某件莫名其妙的事,犯人很有可能是重力。原本拿在手上的马克杯,不小心掉落,大部分的人都会指责你的粗心大意,不过实际上让马克杯摔碎的决定性力量,来自于重力。重力没有拉着马克杯的话,你也不会犯这样的错。

如果在生活中用重力当借口,只会让你变成一个“边缘人”。另外,骑脚踏车时会往旁边倒,也是重力所致;玩骑马背时,让你朋友痛苦挣扎的原因也是重力;甚至当你在洗手间办大事时,让你和珍贵的棕色朋友能顺利分开的也是它。

“电磁力”成为人与人交互间不可或缺的伙伴

除此之外,大部分能感受到的力量都是电磁力。不仅仅是磁铁之间互相拉扯或推挤的力量,利用环绕在原子周围的电子反弹力,使其互相排斥,也是电磁力的范畴。你之所以能突袭亲吻猫咪,全托电磁力之福,而猫咪不悦地推开你的脸,赏你一巴掌,如果没有电磁力的作用,它也无法办到。

嘴巴碰到猫咪脸颊的瞬间,适当的电磁力已事先把力量挤掉了。以免存在你们之间的原子核,在融合之下引发核聚变反应,在你和猫咪半径几千公里内的文明,得以保存至今。也就是说,所有互相接触到的物质,都是依靠电磁力才能保持稳定。换句话说,从物理学来看,物质之间很难互相触碰到。

强力与弱力十分难得一见,甚至比你实际遇到,经常出现在综艺节目的偶像歌手的几率更低,因为它们是在相当微小的世界里发生的事。从根本上来讲,强力是制造原子核的力量。

原子核是由质子和中子组成,质子带有正电荷(+),就像磁铁的两极,质子之间也是依靠电磁力相互推挤。若置之不理,原子核很容易分解。因此能让它们并肩作战,友好相处的力量就是强力(又称“强交互作用”,实际上发生于夸克之间,是一股非常强大的力量)。与电磁力相比,它的排行比较小,不过它的力量最强,所以哥哥们也拿它没辄。

“重力”虽然微小,却是不可或缺的存在

弱力(电子与电微中子、缈子与缈微中子、陶子与陶中微子之间产生作用的力量)主要与引起核衰变的过程有关。由于弱力,中子会转变为质子,过程中也会产生能量。另外,它又被称为“弱交互作用”,但比起弱力,重力的强度更小。竟然比一听,就觉得是软柿子的弱力还弱,重力到底弱不禁风到什么程度呢?如果比较它们的实际力量,结果更令人痛心。

首先,电磁力比弱力强一百倍,强力又比电磁力强一千倍。弱力与强力相较之下,只是相当微弱的力量。那身为人尽皆知的“病秧子”重力,它的力量到底有多小?强力的强度,足足是重力的十的四十四次方。如果说一百倍是在数字后方加二个零,那现在数字后面就得加四十四个零,两者根本无法比较。光是把它们拿来比较的这件事本身,对另外三个兄弟来说,就不是什么光彩的事。

重力的力量实在太微不足道,一般人都觉得哑口无言了,科学家该有多惊慌失措?重力究竟从小吃什么长大,怎会如此弱不禁风?在说明之前,我们必须先了解一件事,那就是关于时空与次元的观点。

虽然重力的力量轻如鸿毛,但以射程距离(又称为“作用距离”,作用力的强度依次为:弱力↓强力↓重力=电磁力)来说,它与电磁力确实比较有胜算。弱力或强力的力量作用距离非常短,如果不是相当靠近范围,它们就无法作用。

地球这块大磁铁对所有东西都会“互相吸引”

但是重力和电磁力的作用距离几乎接近无限,代表说,无论相隔多远的距离,你都可以感受到重力的存在;反过来说,整个宇宙中全部带有质量的物体,都能互相感觉到对方的存在。解释起来有些复杂,但世纪天才牛顿(Newton)曾说过:“因为苹果对地球有吸引力,地球对苹果也有吸引力,所以苹果才会掉到地球上”。

仔细想想,地球不只吸引苹果,而是吸引所有具备质量的物体。简单地说,它与磁铁吸铁片的磁力相似。大部分的金属碎屑都可以被磁铁吸附。假设有一块巨大的磁铁,附近所有的金属都被吸往它的方向。如果说磁力只适用于通电物质,重力就是只适用于具有质量的物质。因为这是天才说的话,所以大家都会信任,直到爱因斯坦以截球之姿出现为止。

依照牛顿的说法,没有质量的物质就不会受到重力影响。就像不管我们再怎么努力用磁铁吸橡皮擦,它依然不动。令人惊讶的是,就连没有质量的光,路径也会受重力影响而产生扭曲。等一下,你说什么?科学研究命题不能有例外?应该是哪里出错了。对于这个问题,爱因斯坦提出了有趣的建议:

其实重力并不是物体间作用的力量。

难道不是苹果对地球有吸引力,地球对苹果也有吸引力吗?如果苹果和地球没有互相吸引,苹果为什么会掉到地上?爱吐舌头的宇宙大天才,爱因斯坦提出了相对论的概念。

空间与质量验证了“相对论”的存在

现在,我们暂时把广阔的宇宙移到你的厨房里,把将保鲜膜大范围地铺在空中,做成一个透明膜环绕你的时空。若在拉开薄透的保鲜膜上面,放一个相当有份量的鲔鱼罐头,保鲜膜会在凹陷时往下延展开来。接着,再丢入一颗非常轻巧的珠子,珠子会慢慢顺着凹陷的保鲜膜滚下去。如果保鲜膜透明到几乎不存在,我们就会认为珠子和鲔鱼罐头处在互相吸引的状态。

说到底,所谓的重力就是,代表有质量的鲔鱼罐头,直接改变了代表空间的保鲜膜。随着扭曲空间的凹陷,进而产生一股牵引周围物质的流动力量,这就是现代广义相对论的核心概念。

其实,宇宙大天才也是花了很长时间,才走到这一步。如果你想陪他,一步步走过相对论诞生的漫长旅程,现在请打开门,走到电梯去吧!一开始走进电梯,按了上面楼层的按钮后,稍等一会。电梯往上爬时,你感觉自己的体重变重了。不要担心,不是你突然变胖。这种感觉会随着电梯加速,越来越强烈;相反地,如果电梯停止加速,开始坠落,此时你会产生一种好像悬浮在空中、重力突然消失的错觉。如果真的发生这种情况,你可能不会有多余的心思去思考这个问题。

就像这样,重力会随着移动的方向或速度产生变化,甚至让人有完全消失的错觉。现在,把电梯搬到地球外几乎没有重力的宇宙空间吧!起初,由于没有重力,所以身体会像羽毛一样轻盈。但如果电梯上升越来越快,你也会觉得自己越来越重。某个时刻起,你觉得自己接近地球上的体重。但若喝醉酒,神智不清地躺在没有窗户的电梯里呼呼大睡,你可能连是在宇宙还是在床上都搞不清了,这就是爱因斯坦的相对论。

时间与时空的速度已难在现实中识别

相对论有两种,广义相对论和狭义相对论。如果现在就想一口气搞懂它们,就算你付了高于这本书的钱,我想也很难办到。简单说,这两个相对论都是关于时空的故事。根据狭义相对论,快速移动的物体,时间会变慢。当时的普遍常识是这样,像任何钟表店的时钟,都是以同样的速度转动;在宇宙任何地方,时间都是以相同的速度流逝。如果以接近光的速度移动,你的时间会变得比朋友慢

当你结束一个比光速还快的短暂旅行,再回到约定地点一看,明明手表离约定时间只过了十几分钟,但你的朋友都已吃过午饭、还去了KTV、喝完草莓香蕉果汁,然后已经回家了。

而且难度比这个更高,爱因斯坦也研究十年才发布的广义相对论,正是与病秧子重力相关的理论。如果重力非常强,用保鲜膜做成的时空本身就会扭曲,时间也会相对变慢。就连流逝的时间也被困在这个空间里,即使我们解释成,重力用自己的力量抓住时间,在某种程度上让时间流逝变慢,我想应该不会被科学家围殴吧?就算要打也是打我,所以大家别担心。

重力仍是世界中的主角

总而言之,根据宇宙大天才的说法,唯一能在时空发挥作用的力量,就是重力。强大的强力、比重力更强大的弱力,还有运用在多处的电磁力,即使是出类拔萃的它们,也无法动时空一根寒毛。所以才让人觉得更奇怪。重力是最早诞生的老大,也是把时空玩弄于股掌间的小霸王,可是为什么它会如此脆弱?绕了好大一圈后,很幸运,我们又回到了最初的问题。

于是科学家开始思考,在时空里发挥作用的唯一力量是重力,那这个家伙会不会跳到时空之外,跑到另一个次元去?甚至有人主张,重力本身并不是存在我们空间里的力量,而是从更高次元产生的力量,所以重力在这个世界才会如此虚弱。就像从漫威漫画阿斯嘉飞来的雷神索尔,当地球上也只是很会打架的邻居大哥。

欧洲核子研究组织为了研究其他次元空间,制作了巨大甜甜圈形状的实验设备─大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC),用于翻炒微小粒子。研究显示,如果高速冲撞粒子,它们偶尔会穿越到另一个次元,而且也曾发现来到我们次元的外来碎屑。如果哪天能证明其他次元的存在,也许重力就能摆脱“病秧子”的污名了。

电影剧情中“重力”的存在是真的吗?

重力已经超越了好莱坞明星,为许多电影做出极大的贡献。二○一三年上映的电影《地心引力》,重力本身就是电影标题和主角;另外在电影《星际效应》里,男主角为了传递信号给地球上的女儿,而使用了重力。

虽然也许是电影方面的想象力,却都是构建在只有重力才可以影响时空的科学事实上。重力取代了超越时空的爱情,频繁出现在电影中,或许是因为在众多描述重力(attraction,吸引;引力)的英文单词中,浪漫因素作祟的科学家坚持不用拉扯之意的“pull”,选择了吸引人之意的“attract”吧!

(首图来源:Unsplash。)

发表评论