[中配]重塑你對引力的認知：引力真的不存在嗎？

小時候我們都曾夢想過飛翔 我們中的許多人仍然會這樣做 而真正幸運的人 有時甚至在睡夢中也能做到 有時我們希望不可抗拒的引力 能夠消失一段時間 但如果我們說它其實並不存在呢 你會說那不過是文字遊戲 你可以隨便給引力起個名字 這並不會改變任何事情 物體仍然會落到地面上 沒錯 但如果你仔細思考一些非常熟悉的事物 當你被意想不到的細節 突然改變了對世界的看法時 你可能會感到一種難以抗拒的震撼 在今天的視頻中 牛頓爲什麼不喜歡他的萬有引力理論 爲什麼引力的表現如此奇怪 如何通過引力與平行宇宙進行交流 引力到底是什麼樣的 它真的會消失嗎 引力 很多人記得物理科上講過 不同質量的物體以相同的速度下落 甚至以相同的加速度 都是每秒9.8米 宇航員大衛·斯科特 甚至在月球上進行了一個簡單的實驗 他把一個錘子和一根羽毛扔在一起 它們確實是同時掉落的 如果你拿一些不同質量 但風阻相同的物體 你也可以很容易地驗證這一點 我們可以說一個籃球和一個保齡球 將它們從同一高度扔下 你會看到它們幾乎同時落下 空氣阻力造成的最小偏差可以忽略不計 這非常奇怪 尤其是考慮到宇宙中其他一切的運作方式都不同 如果我們用力扔一塊石頭 它飛得更快 落得更遠 10公斤的TNT爆炸威力遠比1公斤強很多 但在這裏我們看到了一些奇怪的事情 質量差異巨大 物體的下落速度幾乎相同 就好像我們星球的引力對每個物體的作用都是有選擇性的 以不同的方式表現 如果你不斷思考這個問題 你會想到引力對每個物體中的每個原子的作用 是選擇性的和不同的 哇 看起來真的很聰明 顯然這樣是行不通的 那怎麼辦呢? 那就是我們接下來要關注的內容 還有一件事 你有沒有想過我們星球引力的弱點? 嗯 你可能會說它並不弱 畢竟火箭克服它的難度非常大 連小型貨物都難以送入軌道 事實上 引力的微弱體現在日常事物中 通過從地上撿起一個掉落的鑰匙 你正在克服我們整個星球的引力 這裏沒有隱喻或誇張 你真的在做這件事 我們習以爲常 以至於沒有意識到這有多不尋常 而且還有點可疑 記住 這個想法 我們稍後會回來討論這個 現在讓我們找出引力有什麼問題 以至於我們甚至可以得出 它根本不存在的結論 這一切始於牛頓和他的蘋果 雖然實際上 那個掉在偉大科學家頭上的水果故事 不過是個可愛的神話 根據牛頓的傳記作者 威廉·斯圖克利的說法 這位科學家在一種沉思的狀態中 遠遠地觀察着蘋果落下 他思考蘋果爲什麼是垂直 或直直掉到地面上 而不是橫着 或其他任何方式掉下來的原因 總的來說 牛頓最擔心的根本不是掉落的蘋果 他對天體的運動更感興趣 牛頓想要探究的主要問題之一是 爲什麼蘋果會掉向地球 而月球卻不會 經過長時間觀察行星圍繞地球運動 牛頓突然得出了一個看似矛盾的結論 蘋果落到地面 是有同樣的力量驅動月球圍繞地球旋轉 當然我們不知道這個想法 是否是後續一系列發現中的第一個 但宇宙奧祕的穹頂再次出現了裂縫 在提出他著名的理論之後 牛頓仍然不知道爲何引力存在 他對這件事有一些誤解 此外他認爲引力作用是順時的 儘管有些奇特之處 但他對牛頓的萬有引力理論 仍然成爲物理學的基礎 持續了四百年 直到愛因斯坦及其理論的出現 爲了簡要說明愛因斯坦對科學 和對世界理解的影響力 常常引用兩個牧志名 它們合起來像一首詩 自然和自然的法則隱藏在黑夜中 上帝說讓牛頓去吧 一切皆明亮 亞歷山大普百的碑文 這並沒有持續多久 惡魔在嚎叫 哦 容許愛因斯坦吧 恢復了現狀 約翰·克林斯·斯奎爾爵士 1884-1958年的警句 牛頓展現了一些科學勇氣 假設存在一種在遠距離作用的奇怪力量 那時人們幾乎只提出了一態 更不用說任何引力場了 然而在這一點上 愛因斯坦超越了牛頓 他的假設聽起來純粹是荒謬的 憑藉他的廣義相對論 愛因斯坦假設引力並不存在 而這種引力 不過是另一個更爲驚人的現象 時空彎曲的副作用 但是爲了簡化並正確理解 這些極其複雜的東西 我們將更進一步 讓我們進行一些思想實驗 跳傘者在自由落體時感受到什麼? 大概率上這只是耳邊空氣的哨響 儘管他從飛機跳出去後 引力並沒有消失 但他並沒有感受到任何引力 愛因斯坦思考過類似的事情 他在想象一個人從房頂上掉下來 科學家們顯然知道 在其他條件相等的情況下 任何在這個人附近下落的物體 在他看來就像是懸浮在空中一樣 我們沒有考慮空氣阻力 就像引力真的消失了一樣 好吧 你可以說並沒有 因爲這個人一接觸地面 就會立刻告別這些幻覺 結果會發現引力並沒有消失 並沒有 嗯 這更復雜 我們來設想另一種情況 你在太空中身處一艘宇宙飛船內 你和你的火箭實際上是在以恆定速度移動 在這種情況下 你感覺不到任何重量 物體相對於你保持靜止 如果你接觸任何物體 它將以恆定速度沿直線移動 在這種情況下 你將成爲一個內部觀察者 就像教科書中所說的那樣 你沒有加速 也不在引力場中 所有物理定律在你的參考系中都適用 現在 仔細聽 根據愛因斯坦這兩種場景中的跳傘者 和飛船中的宇航員是等效的 不 他們並不相似 但實際上是同一種物理現象 好的 這兩種觀察者都感到失重 但這是否足以將太空中的失重狀態 與星球表面的失重幻覺等同起來 畢竟在跳傘的高度 我們肯定是在地球的引力場中 而跳下後迅速接近的地面 會很快提醒你誰纔是主宰 但現實有時可能比看起來更加驚人 讓我們回到我們的例子 一個人在火箭裏以恆定的速度飛行 如果速度和絃窗外的景色沒有變化 他根本感受不到這種速度 也完全不覺得在移動 然後宇航員突然在遠處看到了一顆行星 離火箭的主航線有些距離 外部觀察者可能會注意到 火箭的軌跡在行星一側略微轉彎 現在讓我們想象一下 普通的水平儀在穿上此時會有什麼表現 你可能會認爲它會顯示出偏差 就像轉彎的情況一樣 但並不是這樣 即使是最精確的設備也不會顯示任何偏差 你不會感覺到自己在轉動 任何超靈敏的陀螺儀也不會顯示出來 是的 在船裏面一個人什麼也沒有注意到 他沒有感受到任何力量 也沒有經歷任何加速度 當火箭靠近行星時 它的加速越來越快 但是飛船中的人依然感到無重力 它沒有任何改變 就好像引力真的是不存在一樣 讓我們回憶一下牛頓 他的蘋果沒有因爲引力而掉到地上 基本上蘋果之所以下落是因爲它的空氣重 就好像沒有引力只有介質 比介質重的物體就會下落 而比介質輕的物體則會向上飛 如果你放飛一個氦氣球 它會升起 如果你把氣球充滿氫氣 它會飛得更快 如果你用手吹一下羽毛 它會飛一段時間 但如果你扔一個磚頭 它就會直直掉下去 事實證明 如果引力真的存在 煙霧不會向上升起 而坐在貨運列車上的蒼蠅也無法飛離 貨運火車的質量如此之大 以至於引力必須將昆蟲固定在火車上 阻止它起飛 有時候並不在這裏 我們已經不知道 第多少次說這個事情運作得很奇怪 當我們考慮到 引力和完全不同的現象 加速度有多少共同點時 這件事將變得更加奇怪 好了 我們又回到了深空 如果我們啓動火箭發動機 加速到每秒9.8米的加速度 會發生什麼? 對於內部的觀察者來說 所有物體都會保持靜止 而火箭的地板則會真正的撞向它們 在火箭內部 一切都會看起來像是朝着地面加速 而你會感到有一種力量 正在壓迫着你的腳 在地球上時 始終壓迫你的相同力量 在加速的飛船內 你的感覺和在地球表面靜止時 完全一樣 而且要明確 我們並不是暗示在引力場中 靜止與在火箭中加速是相似的 我們說這就是完全一樣的事 當然我們會再次提到愛因斯坦 因爲他是第一個提出這個想法的人 不過我們還是有點困惑 引力和加速度不可能是一回事 我的意思是顯然它們是不同的 但是是什麼讓我們這樣認爲呢? 首先對宇宙某些現象的本質要有信心 而這種信心是錯誤的 事實上就是這樣的 站在地面上 你實際上是在加速 並且沒有引力場 是的 這聽起來很瘋狂 但如果你仔細研究一下 廣義相對論中那些極其複雜的數學 最終得出的結論正是如此 幸運的是 接下來的信息將能讓一切變得清晰 那麼我們如何在沒有引力或引力場的情況下 解釋火箭的彎曲軌跡呢? 答案是彎曲時空 與加速度的關聯仍然不明顯 因此我們從遠處再看一遍 這正是你在取空間的可視化中經常看到的 這不是一個壞的可視化 但它仍然有點誤導 這幅畫讓你覺得在中心有一種力量 它不可阻擋地吸引着一切 但在廣義相對論中沒有引力 我的意思是根本不是 並不存在這樣的事 這不是科學家的破壞 這個問題曾讓愛因斯坦感到憂慮 如今依然困擾着最優秀的頭腦 經過反覆驗證並可靠確認的廣義相對論中 並不存在引力這一概念 這與理論不符 所以要麼這個理論是錯的 要麼引力並不是看起來那樣 但這到底是什麼呢? 而在這裏我們再次想到了飛船經過行星的例子 你還記得我們那裏的工具沒有察覺到任何轉彎 即使飛船的軌跡在彎曲嗎? 好吧 飛船實際上是在一條直線上行駛 而空間本身則是在一個巨大物體周圍彎曲 和這條直線一起彎曲 是的 從我們飛船的角度來看 這實際上是一條直線 現在有趣的來了 在這種情況下 巨大的物體、行星彎曲了空間 從而改變了飛船的軌跡 當然 運動沒有軌道引導 但看起來就是這樣 也就是說 物質告訴空間如何彎曲 而空間告訴物質如何運動 那就是引力 嗯 它就在那兒 然後突然就消失了 剩下的只有加速度和時空的彎曲 如果你認爲這僅僅是數學 那就大錯特錯 這不僅僅是一張日食的照片 這是一張最終驅散了對廣義相對論 持懷疑態度者最後疑慮的照片 科學界最終承認了空間彎曲的存在 這張照片是偉大的英國天體物理學家 阿瑟·愛丁頓拍攝的 稱他爲偉大並不誇張 愛丁頓被譽爲發現星星本質的人 與卡爾·施瓦茨·希爾德和詹姆斯·詹斯一起 他是二十世紀前四分之一 新科學領域理論天體物理學的創建者之一 但讓我們回到話題上來 那時愛因斯坦的理論對許多科學家來說 仍然太不可信 這需要一個強有力而明確的確認 這可能是對接近太陽的光束偏折的實驗測試 正如愛因斯坦所預言的那樣 例如從遙遠星星發出的光束 在經過太陽時應會被微小角度偏折 而地球上的觀察者會發現 這顆星星的位置與平常不同 在正常情況下這種效應非常難以觀察 因爲明亮的陽光使得白天無法看到星星 但這樣的機會只在日食期間出現 愛丁頓抓住了這個機會 1918年愛丁頓和英國天文學家弗蘭克·戴森 派遣了一次探險隊前往普林西島 該島幾乎位於赤島附近 位於非洲的大西洋沿岸 這是爲了更好地爲1919年5月29日的日全時觀察做準備 赤島提供了最佳的觀測條件 那次日食特別方便 因爲太陽位於明亮的絕素星團背景之中 愛丁頓成功拍攝了16張照片 但大多不是很好 因爲時不時下雨 然而通過特殊的計算 能夠顯示出星體位置的偏差 與廣義相對論的預測 相當接近 而與經典力學的預期相距甚遠 然後組織了第二次探險 以確認結果 愛丁頓在巴西亞馬遜叢林的索布拉爾鎮 組織了這項活動 愛因斯坦知道這個實驗 儘管在公衆面前 他假裝對此結果並不特別在意 然而1919年9月5日 他寫信給母親 提到關於日食仍然沒有消息 長久期待的消息 並沒有在9月22日到來 當時愛因斯坦的同事 另一位天才物理學家 洛倫茲向愛因斯坦發電報 告知愛丁頓實驗的結果 不久之後 愛因斯坦把洛倫茲的電報 給一位研究生伊爾莎·施奈德看 他感到非常高興 但科學家本人則完全平靜 他對他的反應和觀察不以爲意 他的理論 無論觀察結果是否正是 那麼情況是怎樣的呢 引力真的不存在 這一切只是一種很酷的幻覺 那麼引力波呢 畢竟它們在實驗中被發現了 那又怎樣 引力波並未否定廣義相對論 此外 它們是在廣義相對論的框架內 被預測的 它們通過愛因斯坦 敞方程的解來描述 而這個現象基本上 不過是一個普通的簡單效應 就像沙灘上的漣漪 或水面上的散射圈 這不是某種力量 這只是一個效應 證明某事 但並不否定任何東西的一個 現在一切似乎都已就位 我們來做一個小但重要的補充 我們關於不存在的引力 所說的所有事情 都指的是愛因斯坦 在廣義相對論中描述的宇宙模型 但是廣義相對論只是一個理論 並不是整個物理學 那裏仍然存在一些空白 其他理論正在試圖彌補這些空白 我們也不要忘記 所有物理學家的最終夢想 就是所謂的萬有理論 在這條道路上 現代物理學家發展了其他一致的理論 在這些理論中 引力是存在的 甚至具備量子性質 科學家們絕望於發現的 臭名昭著的引力子 與其他物理現象共存 甚至有人認爲 引力可以從我們的宇宙 流向另一個宇宙 在這裏我們並沒有遠離科學討論 平行宇宙和高維度 是物理學和數學中的概念 而不是純粹的幻想 現在這確實很難想象 畢竟引力既不是河流 也不是物質 它並不是一些具體的物質 它怎麼可能去任何地方 這就像是在說你智能手機的屏幕 正在縮小並消失 這太荒謬了 是嗎 是的 但在引力的情況下 這甚至更加奇怪 在量子理論中 引力的本質比廣義相對論中更奇怪 在那裏引力根本不存在 與我們世界中的其他一切不同 與物質和相互作用力不同 只有引力能夠與更高維度相互作用 我們無法看到觸摸或聽到 來自第四維 或任何其他維度的假想生物 但我們可以通過引力場的扭曲 來察覺它們的存在 引力異常預示着 克里斯托弗·諾蘭電影 《星際穿越中重洞》的發現 它們只是證據 證明神祕的第五維的存在者 就在附近 它們正在對我們的世界做些什麼 現在互動涉及某種形式的交換 如果我們在我們這個維度 看到來自其他世界的引力某些表現 那就意味着那些世界的引力一定較小 聽起來很奇怪 但如果我們假設引力的量子特性 這就說得通了 這裏有個例子來幫助理解這個 想象一下 看到從另一個宇宙射來的光 你可以自然地假設 那個平行宇宙現在有更少的光 因爲光子從那裏飛出 最終到達了我們這兒 如果一個地方的某樣東西增加了 那麼另一個地方肯定就得減少 對吧 那麼如果按照這個邏輯 引力有一天完全露出 進入某種其他世界 那又怎麼樣呢 我們的兩個世界會發生什麼 如果我們說引力是一種交換 那我們改變了什麼呢 那不再是引力的東西會來自哪裏