引力的八层理解：从亚里士多德到量子引力

引力的八层理解：从亚里士多德到量子引力

从古希腊哲学家亚里士多德对自由落体的观察，到现代物理学中引力的本质探讨，人类对引力的理解经历了漫长而曲折的发展历程。本文将带你深入探索引力的八个层次，从最直观的物体下落现象，到时空弯曲的现代诠释，再到量子引力的前沿研究，全面解析这一自然界中最基本的力。

第一层：所有物体都会往下坠落

古希腊时期，亚里士多德就已经发现所有物体都会往下坠落，他是最早尝试解释自由落体现象的哲学家之一。亚里士多德认为，地球是宇宙的中心，所有物体都会被地球中心吸引，因此物体才会坠落。他给出了自由落体的一个特性：物体越重，自由落体速度越快。

第二层：所有的物体坠落时间都一样

据传言1590年，意大利物理学家伽利略在比萨斜塔上做自由落体实验，他将两个重量不同的球体从相同的高度同时扔下，他发现两个球体同时落地。这意味着：自由落体现象与物体的质量或重量并没有任何关系。推翻了亚里士多德的结论。

伽利略发现物体坠落距离与时间的平方成正比。

第三层：万物之间存在引力

第一层与第二层没有给出自由落体发生的机制，也没有解释自由落体为什么会发生。牛顿认为，万物之间存在吸引力，苹果会往地面坠落，是因为地球吸引了苹果。物体的质量越大，物体之间受到的引力就越强；物体的距离越远，物体之间受到引力就越弱。

第四层：物体的坠落时间一样是因为惯性质量等于引力质量

惯性质量是指加速一个物体到底有多困难。引力质量是指物体受到的引力到底有多强。m指惯性质量。m指引力质量。如果惯性质量等于引力质量，两种质量就能够互相抵消，物体的加速度只取决于万有引力常数，地球的质量以及物体离地球中心的距离。惯性质量等于引力质量这个理论也被称为弱等效原理，为后续的广义相对论埋下了伏笔。

第五层：引力不是力

第四层假设惯性质量等于引力质量，得出不同质量物体会同时落地这个结论，然而两种质量并不一定需要相等。若惯性质量大于引力质量，那么质量比较大的物体会坠落的比较慢；反之，质量比较小的物体会坠落的比较慢。爱因斯坦任务我们无法区分两种情况：

1. 火箭在无引力场的太空中以加速度g运动。
2. 静止的火箭在引力场强为g的星球表面。

第一种情况是由惯性力主导的。第二种情况是由引力主导的。因为我们无法区分这两种情况，这意味着我们无法区分加速度和引力。

第六层：引力是一种几何效应

牛顿万有引力的两个问题：

1. 牛顿假设引力的速度是无穷大的，也就是说引力相互作用是瞬时的。超光速的引力已经违反了因果律。
2. 牛顿并没有对引力现象的本质做出解释，牛顿只是用公式来描述引力，并且预测天体的轨道。

物理学中四个非常重要的概念：空间、时间、物质、相互作用。有了空间，物质才能存在。有了时间，物质才能运动。有了相互作用，物质之间才能传递信息并产生运动。

爱因斯坦认为，引力是时空弯曲的一中表现，物质弯曲了四维时空，物质在弯曲的四维时空运动，便是引力的起源。

爱因斯坦的广义相对论与牛顿的万有引力对引力理解的区别：

1. 牛顿描述的引力是两个物体之间存在一股神秘的吸引力；爱因斯坦描述的引力是时空弯曲的表现。
2. 牛顿的引力是瞬时的，而广义相对论的引力是光速c，时空的涟漪会以光速扩散。广义相对论也成功预言了引力波的存在，也成功解决了引力的超距作用1问题。
3. 万有引力的引力源是质量，而广义相对论的引力源是能量。广义相对论能解释为什么光子没有质量，可会被天体偏转，这是因为光子有能量，所以光子会被弯曲的时空偏转。广义相对论能预测引力透镜这个现象。

第七层：引力起源于时间

宇宙间所有物质都在四维时空中以光速c移动。根据狭义相对论时间速度、空间速度与光速满足以下关系

如果某个物体静止不动，空间速度等于0，那么该物体会在时间维度以光速c运动。光子在空间维度的速度为光速，因此光速在时间维度的速度为0。

圆柱体表面属于欧几里得几何，满足平面几何的五条公理；而球体的表面属于非欧几里得几何，不满足五条公理，球体的平行线会相交

引力的两个触发条件：

1. 时空必须是弯曲的。
2. 物体必须在时空中移动。

时空扭曲率越大的地方，时间越慢。我们会感受到引力是因为我们有时间速度。

第八层：量子引力

广义相对论问题：

1. 再描述黑洞的无穷小起点时，广义相对论会遇到引力无穷大的问题。
2. 广义相对论的作用是定域的，而量子力学的作用是非定域的。广义相对论里的物质只会对时空上的一个区域产生作用，而量子力学里的粒子是按照概率分布在整个空间的。
3. 量子力学认为时空是静态，即时间和空间是相互独立存在的，而广义相对论里的时空背景是动态的，即时间和空间不是相互独立的，而是会相互影响的。
4. 在四大基本相互作用中，引力是最弱的。
5. 根据广义相对论，引力从严格意义来说不算是一种力，而是时空弯曲的一种表现，物理学家很难像其他相互作用一样，用交换引力子这类的概念来描述引力，导致了引力很难与其他相互作用被统一到一起。

通过测量引力的强度，可以证明超弦理论的假设是否正确。如果超弦理论正确，那么引力在大尺度上遵从平方反比定律，在小尺度遵从更高的反比定律，也就是说，引力会在小尺度上被稀释，在大尺度上根据距离的平方而衰减。所以，引力常量应该不是常数，一旦其被证明随着两个物体之间的距离或尺度而变化，那么就间接证明了高纬度的时空是存在的。

当两个物体的距离达到微米级别，会发生卡西米尔效应，两个物体会因为真空涨落而相互吸引，产生卡西米尔力，影响了人们对万有引力常数的测量。