智慧之窗: 重力的真相

2013年9月 

文/黃小石

星空中最重要的作用力就是重力。牛頓的重力定理,讓許多人驚訝於自然界的奇妙與數學的神秘。

所有實體都有質量,質量與質量之間有引力;引力大小,與質量大小、重心距離有關,與其形狀無關。這定理無論在宇宙的哪個角落都是一樣的,出於「宇宙均勻假設」的基本信念。以此計算一切天體重力、畫出天上軌跡,再與我們觀測到的數據相比,發現重力定理非常精確。

近來,天文物理學家用最先進望遠鏡,可以測量靠近銀河系中心的星球軌跡,從其週期及其與宇宙中心的距離,即可計算出在銀河中心所隱藏的質量,發現在那裡必然有一個超級黑洞,相當於400萬個太陽的質量。看來簡單的定理,揭開了許多星空奧祕。

超距作用 假想實驗

眾所周知的重力到底是什麼?牛頓也不知道。兩個物體相距千萬里,互不相犯,這引力是哪來的呢?牛頓稱之為瞬間「超距作用」,非常神秘。雖然現在已放棄這一概念,但重力的神秘面紗仍未揭開。

牛頓之後兩百年,出現曠世奇才愛因斯坦。他想:「若我在電梯中,電梯忽然斷纜下墜(自由落體),那時我就暫時沒有重量了,那不是重力瞬時消失嗎?」在一個關閉的電梯中,我們無法分辨它是在太空中無重力的地方,還是在重力場中的自由落體;這麼說來,宇宙中真有一樣東西被稱為「重力」嗎?

他從這個「假想實驗」所得到的靈感開始,進一步研究重力與時空關係,導出廣義相對論:重力現象乃是「時空」受到質量的影響而「彎曲」,故在「不平」的時空面上,兩點之間最短的距離也不再是一條直線,而是彎向質量的弧線;若另外的物體進入這個彎曲的時空,其軌跡自然改變了方向,甚至沒有質量的光線;本不應受到重力影響的,也會因空間的彎曲而改向。日全蝕時,觀察太陽附近星球位置的移動,成了廣義相對論有力的證據。

重力之謎 爭議課題

重力的本質,仍是物理界爭議的課題之一。荷蘭的一位理論物理學家認為,重力並非自然界中基本的作用力,重力乃源於熱力學,因一種物體之間資訊密度不平衡而得。我們知道,物理真正的「語文」是數學,故此以上所述字句,其真正含意十分隱晦,重力之謎也不因為「時空」、「資訊」這類字眼而被解開。

重力之謎還有許多層面。有沒有「反重力」存在?重力為什麼總是互相吸引?有沒有「負物質」(「負質量」)存在?理論上,「負物質」雖可存在,但至今未被發現。

藉愛因斯坦的新重力觀,應當可以測量到「重力波」的存在,但經多年努力,尚未能證實重力之謎。科學家不知道,何以重力比起其他自然感應力弱這麼多。例如,比較一個質子與一個電子間的重力及其電磁力,重力要比電磁力弱1,000億億億億(37個零)倍!故此有人設想,宇宙不只有三度空間。

充滿宇宙 不能識透

雖然我們如今還是不很明白重力到底是什麼,但人類早已經歷到它的存在,我們的古書也對重力有所記載。《墨子‧經說下》記載:凡有重量的物體,若不從上面拉著、下面撐著,也不從旁邊牽引,就必直直地落下去。這觀察是正確的,也可算是牛頓力學三定理的開始,可惜古人沒有相應的數學基礎(微積分),不能作更進一步的分析。

人類最先經歷的自然律,就是重力。小孩子在地上爬,站不起來,是重力的緣故;站起來後又跌倒,也是重力。沒有重力,便不可能有太陽系,也不可能有太陽、地球、星星。重力把我們關在地球上,同時也把空氣留在地上,不致散入太空;重力使得百川入海,又劃定海水的界限。沒有重力,便沒有生命。

重力定理漂亮出奇:質量的乘積除上重心距離的平方,乾淨俐落。人類能發現重力定理,是件很了不起的成就,但卻沒人知道重力是哪兒來的。重力充滿宇宙,是一種全然不能阻擋的力量,也是一種令人無法抗拒的恩典,它至今仍是一個不能識透的奧秘。