“变脸”的引力

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  引力变脸一:一张弯曲的膜
  
  进入20世纪,人类对自然的认识不断进步,出现了对引力的新解释。爱因斯坦用广义相对论,对引力的本质作了进一步的分析。
  当一个苹果从树枝上脱落,开始自由落体运动时,苹果受到的引力等于重力,我们会发现,苹果的加速度就与质量无关了。把方程两边的惯性质量和引力质量一并约掉,苹果的加速度就等于苹果树所处位置的重力加速度,这就是两个不同质量的铁球能够同时落地的原因。同样,月球围绕地球转,地球围绕太阳转,这些天体在引力场中的运动规律也与自身的质量无关。
  爱因斯坦意识到,没有了质量,天体在引力场中的运动好像根本不是什么动力问题,而是一个几何问题了。他认为,所谓的引力,其实并不是两个物体之间存在着神秘的相互作用,而是时空本身的几何属性!
  想通了这个道理,爱因斯坦提出了著名的广义相对论。他指出,物质或能量的存在,会扭曲周围的时空,质量或能量越大,周围的时空弯曲的程度就越大。这就好比我们在一张橡皮膜上放一个小铁球,由于铁球的存在,它周围的膜会凹陷下去,橡皮膜这个二维的平面就出现了弯曲。原本膜上有一条直线,在膜发生凹陷后,就变成了一条曲线。
  而我们生活在一个空间和时间组成的四维时空中,包括了空间的三个维度和一个时间维度。这样的时空发生弯曲,是我们的直觉不好理解的。但总的规律是,物体在弯曲的时空中运动时,仍然会沿着最短的路线运动,只是我们作为观察者,感觉物体运动的轨道变成了曲线。例如,地球绕太阳运动的轨道看上去是一个椭圆,但是太阳周围的时空已经因为太阳这个大家伙的存在而发生了弯曲。如果我们把弯曲的时空展开、铺平,地球绕太阳的轨道会变成一条直线。
  正是因为时空发生了弯曲,所以我们看到了地球绕着太阳运动的现象,就好像是地球受到了太阳的引力作用一样。在爱因斯坦看来,引力并不是物体之间神秘的超距作用,而是一种时空弯曲的现象。物质决定了时空的弯曲程度,弯曲的时空又决定了处于其中的物体会如何运动。
  
  引力变脸二:一种“熵力”
  
  广义相对论对引力的解释的确很成功,可以解释各种与引力相关的自然现象,苹果落地用广义相对论也可以准确地描述。但是,引力还是太奇怪了,自然界中的另外三种力——强力、弱力和电磁力,都可以用描述微观世界的量子力学来很好地描述,可是引力却和量子力学格格不入。比如,当科学家研究黑洞的中心或者宇宙大爆炸的奇点时,这些场合的时空都非常微小,应该可以用量子力学很好地描述状态。但是这些场合中的物质密度又非常非常大,引力非常强,量子力学无能为力。
  引力表现得非常宏观,天体的运动符合万有引力定律。可是如果我们试图庖丁解牛地从微观分析引力的本质时,却完全做不到。看来,对于引力的本质,仅仅用时空弯曲来解释,还不那么令人信服。
  荷兰理论物理学家弗林德提出了自己的新引力理论。他认为,引力根本不是一种基本力,它其实是一种“现象”,或者说,我们可以把它看作是一种“熵力”。是熵增大的趋势表现出来的一种现象,这才是引力的本质!
  
  引力新说:如何用熵力来重新解释?
  
  先让我们看一看宇宙中的怪兽——黑洞的情况。黑洞引力巨大,甚至连光都逃不出它们的魔爪。每个黑洞都有自己的边界——视界,物质踏入视界一步,就会被吸入黑洞,万劫不复了。从熵的角度看,黑洞吞噬物质的过程,显然是一个熵增的过程。黑洞吃进去的乱七八糟的东西越多,总质量就越大,使得黑洞的表面积也增大。因此,黑洞的熵和它的表面积是成正比的。而且,天文学家可以通过研究黑洞的二维表面,来了解包含了黑洞物质在内的三维空间的性质,三维空间的信息都“记录”在了二维表面上。
  黑洞如此,其他物体也一样,某一块空间的全部信息,其实都反映在包裹这块空间的表面上。根据热力学第二定律,物体都有熵增的趋势,而当一个物体接近一块包含着另一个物体的空间时,受此影响,空间表面的熵就会增大,这意味着整个空间的熵也增大了。
  换句话说,物体与物体之间自然而然地有相互靠近的趋势,因为这样它们的熵就会增大。物体与物体有相互靠近的趋势,就好像物体与物体之间在相互吸引,就好像它们之间存在一种神秘的、超距的引力!啊,原来引力就是熵力的一种表现而已。
  弗林德对熵力进行了深入的研究。他发现,物体或空间的熵是与含有的物质多少有关的,所以质量越大的物体,熵也就越多。而熵力的大小反映了物体或空间中熵的变化程度,熵力是和质量有关系的。从这个角度推导,就会得到牛顿的万有引力定律,力与物体的质量成正比。这个力我们可以叫它引力,当然现在叫它熵力更准确。
  原来,宇宙中并没有引力这个东西。
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