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引力 从相对论开始
说到底，物理学还是在研究各种力，和这些力的本质。
本想写一篇关于四大基本力（也称基本相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用）的文章，但后来发现把这些分开来写会更有意思，o(∩_∩)o… 嘿嘿。
引力，或称万有引力，日常生活中我们也常使用重力这个词。我们也有各种成熟的方式去测量它——各种各样的秤。也由此可见，早在苹果击中牛顿以前（嗯，牛顿是不是真的曾被苹果砸过还须存疑），人类对于引力已经拥有一定的认识了——不过艾萨克.牛顿爵士的确是人类历史上对引力进行科学描述的第一人，也是从此，质量和引力之间所存在的必然联系被明确了。然而，万有引力定律还是太笼统——牛顿的万有引力定律更多是在描述引力的表现而非本质，在这个时期，科学家们把万有引力作为物质的一个与生俱来的属性来看待，并不去计较物质为什么会有这个属性。
人类一直在努力的理解这个世界，渴望找到所有问题的答案。引力的本质——物体间为什么会存在引力也就成为了现代物理学中一个非常重要的话题。
在宏观世界，广义相对论可以对引力的本质做出非常完美的描述。
在广义相对论中，引力被描述为时空的几何性质，而不是“力”的作用——物体的质量会使时空的几何布局发生扭曲，如果有一个直线运动的物体经过这个被扭曲的时空，它的运动方向就会偏向使时空发生扭曲的物体——时空的几何性质约束了物体的运动，就像：沿着一个球体的表面做直线运动，而实际上的运动路径却是一个大圆。
质量对时空的扭曲是非常复杂的，并不像上面的图片中所展示的那么简单，那只是为了帮助大家建立一个较直观的印象。实际上，地球周围的时空，因为地球的质量而发生的扭曲绝对不是一个三维图形可以描述的。
 同上一个图片一样，这仍不是实际情况的全部表现，但确是我们可以表现的全部。
广义相对论中对引力本质的解读是建立在等效原理基础上的。等效原理，简单的说就是我们无法通过自身的感受或者任何科学实验去区分引力场和加速场，即物体的引力质量等效于它的惯性质量。目前为止我们所有的实验结果都在证明等效原理的正确性，最精确的测量可以将误差小于千亿分之一，当然科学家们仍在积极准备更精确的测量。
我们可以回想这样的情况：在我们搭乘电梯上楼的时候，在电梯由静止转为向上运动的瞬间，我们会觉得身体突然变沉重了；而在我们搭乘电梯下楼的时候，在电梯由静止转为向下运动的瞬间，我们会觉得身体突然变轻快了。这就是电梯的加速所带来的超重与失重。引力场和加速场的等效可以这样理解：我们站在地面，可以感觉到地球在我们身体上施加的重力，这是因为地表正在阻止我们加速下落——如果没有地表的阻止，在我们向地心自由下落的过程中，是感觉不到重力的——自由落体会完全处于失重的状态。那我们为什么会有向地心加速的趋势呢，上面的两张图片也许可以帮助理解——地球的质量扭曲了我们周围的时空，使我们无论在任何方向上的运动都会存在一个约束，这个约束就是向地心加速的趋势。
有些独特的方法可以说明这种质量对时空的扭曲，当时空变的不再是那么平直的时候你还会发现一些诸如平行线相交或发散、三角形内角和不足180度等奇怪现象——此时我们需要一点非欧几何来解决问题，或许还要写一堆难懂的微分方程，所以我觉得现在我们应该说点别的。
微观领域，物理学家们一直试图在量子力学的框架中描述引力，但仍然没有完成。
实际上，量子力学在解决问题时的思路还是很传统的，依然秉持“只有相互接触才能相互作用”这一力学传统，我的确不知道这一传统始于何处，但在亚里士多德的哲学著作中已可以找到这样的句子了。
于是自然界中的四大基本力都需要各自的媒介，去传递自己。它们分别是：传递强相互作用的胶子、传递电磁相互作用的光子、传递弱相互作用的W&Z玻色子和传递引力相互作用的引力子。这些被假设存在并且起到媒介作用的基本粒子被统称为“规范玻色子”，属于玻色子（依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的基本粒子）的一种。
除了引力子外，其它被假设存在的规范玻色子都被后续的实验所证实——实验证明了它们的合理性。嗯，这么多年过去了，引力子简直就是物理学界的耻辱…… :) 抱歉我这么说。
引力子被定义为一个自旋为2、质量为零的玻色子。为了传递引力，引力子必须永远相吸、作用范围无限远及以无限多的型态出现。——比较抱歉的说，我不知道这些定义是否真的有意义……
在量子力学这，广义相对论对引力的诠释更像是颇具技巧的诡辩、一种倚仗高级的数学理论所达成的杂耍或者鬼把戏。因为你会发现扭曲的时空在量子力学中是不被承认的，而量子力学所主张的不确定性原理也会导致出现一些与相对论完全不同的结论——比如黑洞，粒子到达黑洞的奇点时会怎样反应？广义相对论预言该粒子会被压缩到密度无限大，而量子力学则预言由于粒子的位置无法被确定，因此它无法达到密度无限大并可以逃离黑洞。在量子力学所描述的宇宙中也不可能产生黑洞。
但我相信广义相对论与量子力学的矛盾最终还是会被解开的，或许我们只是需要一些巧妙的方式去融合两者。量子引力的研究也催生了许多新理论，如Loop Quantum Gravity理论（台译圈量子引力论。不知大陆用了什么译名，我倒是喜欢叫这个理论为循环量子引力论^^），这套理论接纳了广义相对论，并且重新描述了时空（量子几何学，是这套理论的另一个名字）。我也希望国内能有更多的学者关注它，我的意思是，至少多翻译点资料出来，不然我没东西看了……
[ 本帖最后由 beta1 于 2008-3-14 14:16 编辑 ] |
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狗仔卡
发表于 2007-12-23 15:25:51
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发表于 2007-12-23 18:03:19
有些无奈... 现实和理想总是有差距...