引力到底是什么?是时空的弯曲还是引力子?

四大作用才是宇宙的规则

首先,“万物的秩序规则”并不是只有引力说了算。毕竟,在宇宙中存在四种作用力:强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,引力。

其中强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用的存在,保证了物质的存在,说白了,它们就是粘合剂,把基本粒子粘合起来,这才构成了物质。为此,科学家构建了粒子物理标准模型。其中费米子就是基本粒子,而玻色子则是传递这三种作用的粒子。

强相互作用和弱相互作用确保了,原子核的形成,胶子传递的强相互作用束缚住夸克在质子和中子等强子中,介子传递的强相互作用束缚住质子和中子在原子核中。弱相互作用确保了电子不会坠入到原子核中。电磁相互作用则是确保了原子之间可以相互独立,不至于太近,同时也不至于太远。

也就是说,没了这三种作用力,宇宙中的物质也不会存在。因此,更合理的说法应该是,四种相互作用才是“万物的秩序规则”。

引力

关于“引力”的解释,历来说法有很多,而且引力至今也是科学家在思考和研究的对象。我们可以先简单描述一下引力的作用,如果从宇宙的大尺度上来看,引力是星系的粘合剂,如果没有它们,宇宙中的物质会成一盘散沙。

正是因为引力有趋势物质相互靠近的作用。因此,它可以把宇宙中的一些距离相近的物质聚合到一起。大部分的星系就是由物质和暗物质提供的引力而聚集起来的。而太阳系,则是依靠着太阳的引力将8大行星、小行星等天体束缚在太阳系的势力范围内。

关于引力的解释,每个时代都不太一样,古希腊时代,亚里士多德就提出过一套。后来,牛顿也提出过一套,也就是万有引力定律。他认为引力是一种超距作用,说白了就是,如果太阳消失了,那所有在太阳系内的天体都会沿着轨道的切线方向飞出去。

不过,总体来说,大家对于“超距作用”并不是很认同。

后来,有两个理论都试图解释引力,一个是粒子物理标准模型,也就是刚才说到的统一了除了引力之外的三种作用的理论模型。这套理论,说白了就是依靠“粒子”、“场”的概念来解释这三种作用。因此,解释引力也势必要用到这些。

于是,科学家就假设了“引力子”的存在。但是很多问题不能光是拍脑袋来决定的,首先是要找到这种粒子,其次理论要能和实际相匹配。但是,这个“引力子”的相关理论,不但找到它的存在,并且这个引力理论和实际的情况误差很大很大,因此,目前这个“引力子”理论并不是解释“引力”的主流理论。它的准确程度和牛顿的万有引力定律都完全没法比。

广义相对论

另外一个解释引力本质的是爱因斯坦的广义相对论。在广义相对论当中,引力的本质是时空的扭曲。

就拿太阳系来说,太阳压弯了周围的时空,地球是沿着“时空”的“直线”(也被叫做测地线)在运动。如果从二维上来看,就是下面这样:

所以,科学家惠勒曾经概括过广义相对论,他是这么说的:

物质告诉时空怎么弯曲。时空告诉物质怎么运动。

那这套理论和牛顿的万有引力比起来呢?

实际上,广义相对论是目前对引力本质的解释最为主流的理论,这就在于它特别的准确,比牛顿的万有引力还要准。科学家爱丁顿就曾经带队去验证广义相对论预言的光线在强引力场下的偏折情况,结果是爱因斯坦预言结果远比牛顿的万有引力计算出来的好。

不仅如此,还有很多实验都证明了广义相对论的准确性,而且广义相对论还预言了引力波,黑洞存在。

正是基于这些证据和预言,广义相对论才成为了目前解释引力的主流理论。