《物質之輕》:表面看來「重力」真的很微弱,但表象一定是騙人的

《物質之輕》:表面看來「重力」真的很微弱,但表象一定是騙人的
Photo Credit: Unsplash
我們想讓你知道的是

愛因斯坦的理論解釋了這個重力的「巧合」;或者應該說,超越了這個概念。我們不需要分開討論作用力和對作用力的反應,即使這兩者恰好以相反的方式取決於質量,但一切不過只是物體在盡其所能沿直線穿過彎曲時空而已。說到底,這就是深遠的簡單。

唸給你聽
powered by Cyberon

文:法蘭克.維爾澤克

重力微弱嗎?不,理論上不是

重力是一種普遍的作用力,形塑了空間和時間的基本架構。重力至為基本,所以我們應該使用重力來量度其他事物,而不是以其他事物來量度重力。因此,在絕對意義下,重力才不微弱,強度恰如其分。重力顯得微弱的事實混淆了理論,也在通往統一理論的道路上設下一大障礙。

愛因斯坦的重力理論(廣義相對論)把重力的存在繫於時間和空間的結構。根據該理論,我們所見到的重力效應,只不過是物體在穿過時空的彎曲地貌時,盡可能沿著直線前進而已,而物體也會造成時空彎曲。物體B造成的彎曲會影響物體A的運動,產生我們以牛頓式的語言稱之為「重力」的效果(註)。

註釋:更精確來說,牛頓的理論大致描述了廣義相對論的結果。在物體緩慢移動(相對光速而言),而且體積和密度都不會太大的情況下,牛頓的理論運作得最好。

愛因斯坦的重力圖像會造成一個影響深遠的必然結果:這種作用力會有普適性。任何盡可能沿直線穿過彎曲時空的物體,都會遵循和其他物體同樣的路徑。決定最佳路徑的是時空的曲度,而不是物體的任何特定性質。

事實上,重力這種被觀察到的普適性,正是讓愛因斯坦推導出他的理論的一大原因。在牛頓對重力的敘述裡,這樣的普適性是一個沒有得到解釋的巧合(或者應該說是「無限」個巧合,因為每一個物體都有這樣的巧合)。一方面,物體感受到的重力與其質量成正比;另一方面,物體因為回應一特定力量而感受到的加速度,則與質量成反比(這就是牛頓第二個第二運動定律。牛頓原本的第二運動定律是F = ma,而這裡講的是a = F/m)。把這兩個面向合一,我們就會發現,物體的重力加速度(真正會干擾物體運動的因素)根本和質量無關!

而這就是我們觀察到的:運動獨立於質量之外。我們觀察到的這種行為是普適的,在重力作用下,所有物體都會以同樣的方式加速。但是在牛頓的說明裡,並沒有提出這種現象必然如此的理由。這又是另一個實務上會發生、但理論上不然的那種事情。作用在物體上的重力,並不非得和物體的質量成正比,而我們確實也知道,有一些作用力並不正比於質量,比如說電作用力。

愛因斯坦的理論解釋了這個重力的「巧合」;或者應該說,超越了這個概念。我們不需要分開討論作用力和對作用力的反應,即使這兩者恰好以相反的方式取決於質量,但一切不過只是物體在盡其所能沿直線穿過彎曲時空而已。說到底,這就是深遠的簡單。

普適和統一

當我們想要尋求一個包含所有自然作用力的統一理論,重力的普適性及其(顯而易見的)微弱無力造成了很大的困難。這裡列出幾種替代方案:

  • 重力或許源自其他的基礎作用力。因為重力是很小(很微弱)的效應,或許是個副產品,是電或色荷的相反效應(或者什麼更奇特的東西)近乎抵消之後的微小殘餘。若此為真,那重力怎麼會是普適的呢?其他的作用力絕對並不普適,比如說,只有夸克能感受到強作用力,電子不行;只有電子和夸克能感受到電磁作用力,光子或色膠子不行。很難想像有一種簡單普適的作用力,對所有粒子都會造成同樣的後果,但卻是源自這樣畸形的成分。
  • 其他作用力可能源自重力。很容易想像非普適的作用力可能源自於某種普適的作用力。普適方程式可能有幾種不同的解,有能量集中在空間的小區域內,我們就把那些解詮釋為具有不同性質的粒子(顯然愛因斯坦本人也懷抱著沿此路線建構出物質理論的希望)。但是,我們很難看出一個微弱得很誇張的作用力,如何能夠衍生出各種強大許多的作用力。
  • 所有的作用力或許都在同樣的立足點上顯現,是單一整體的不同面向(或許以對稱性關聯),就像是骰子的不同面。但問題還是沒解決,這個概念還是很難符合重力比其他作用力微弱許多的事實。

情勢翻轉,相信作用力有可能統一的信念,反而使得我們陷入拒絕相信的狀態。即使表面看來,重力真的很微弱,我們還是不能就這麼接受。表象(或者應該說,我們對表象的詮釋)一定是騙人的。

相關書摘 ►《物質之輕》:把「原子大小」變成可見宇宙半徑100倍的簡單方法

書籍介紹

《物質之輕:諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》,貓頭鷹出版社出版
.透過以上連結購書,《關鍵評論網》由此所得將全數捐贈兒福聯盟

作者:法蘭克.維爾澤克
譯者:柯明憲

在21世紀,粒子物理學家一直期望一位新的達爾文來解釋粒子的起源……本書並不是達爾文的《物種起源》再現,而是比較像《小獵犬號航海記》,是一趟探索之旅的大眾化記述,描寫沿途地景以及新發現、尚待解釋的生物——數學物理學家戴森。

「如果有一天世界毀滅了,只能留下一句話給後世的倖存者,我想應該會是原子假說裡的這句話:『所有物質都是由原子組成。』」——核子物理學家理查.費曼。

費曼的這句話很美,可惜的是,他是錯的。至少在現在的科學家眼裡是錯的。從科學革命以來,科學家開始重新建構我們對這個世界的認知,而其中最基本、最重要,卻也最難以理解的,卻是這樣簡單的一個問題:「物質是什麼?」

牛頓在設計他的三大運動定律時,前提是所有物質的質量皆為守恆。然而,科學家們對質量的的定義與來源,卻一直沒有定論。重力和電力是怎麼產生的?甚至,質量真的是守恆的嗎?

在本書中,2014年諾貝爾物理學獎得主維爾澤克帶領讀者跟隨物理學家的腳步,探索物質的起源,了解世界的組織架構。

getImage
Photo Credit:貓頭鷹出版社

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

或許你會想看
更多『評論』文章 更多『科學』文章 更多『精選書摘』文章
Loader