前世今生我们是不是在哪见过（我是引力我还有三兄弟）

我是引力，我有无穷的魅力，也有点扑朔迷离，在这个世界上，我并不孤单，我还有三个兄弟，大家叫我们“四个基本作用力”。

四兄弟

据推测，我们兄弟四个本来是一体的，后来才各自分开。在宇宙诞生之始，也就是大爆炸之后的10^-43秒钟的时候，我首先分离了出来；随着时间的推移，宇宙继续膨胀，到达10^-35秒时，老二“强核力”分离了出来；再后来老三“电磁力”和老四“弱核力”，相继从“弱电力”中分裂了出来。

宇宙大爆炸示意图

如果把组成世界这个大厦的物质比作砖头瓦块的话，我们四兄弟就是它们的粘合剂——水泥。没有我们，这个世界就不会如此牢固结实。

我和老三“电磁力”，产生作用的距离比较大，老二“强核力”作用的距离只是在原子核以内，而老四“弱核力”作用的距离是最小的，有效范围只有10^-17米。

虽然我作用的距离很大，但是我的力是最弱的，两个电子间的电磁力就比我大10^36倍，然而，强核力比电磁力还强100倍，而比弱核力强10万倍。

我的力量虽然很微弱，但是在巨大质量的物体中，积聚起来的力量就是可怕的。我可以让一个恒星坍缩成为一个白矮星、中子星甚至变成为一个黑洞。

所以我们是各有分工的，老三“电磁力”，负责把物质中的原子和原子、分子和分子之间粘合在一起的，比如氢和氧结合生成水，就靠它了；老二“强核力”，负责把原子核中的夸克粘合成中子和质子，又把中子和质子粘合成原子核，有了它原子核才那么牢不可分；老四“弱核力”，决定的是放射性衰变；而我，作为老大哥，就负责把原子、分子组成的物质聚集在一起，比如让物质结聚成了行星、恒星和星系，还让你不会容易脱离地球掉到太空中，也让地球一直绕着太阳转，不让它随便的脱离轨道......。

在我们和组成物质的粒子之间都有一个传递力的信使。传递电磁力的是“光子”；传递强核力的是“胶子”；传递弱核力的是“W、Z玻色子”；而我，传递力的则是“引力子”。它们几个在实验中都已经被发现和证实，可闹心的是，我的“引力子”至今还没找着，以至很多人对我产生了各种各样的质疑。

不管别人如何看待我，我就是我，不一样的烟火！我就是这样独特有魅力，同时也象迷一样扑朔迷离，难道你就不想再多了解我一下吗？

不同时期，人们对我有不同的理解。

亚里士多德对我的理解

在2000年前的古希腊时代，亚里士多德就认为，重的物质会趋于落向宇宙的中心，轻的物质会趋于离开宇宙的中心，当时人们认为宇宙的中心就是地球，所以你看到的水、土、石块等总是落向地球，而火和气等就会离开地球。并且他还认为越重的物体下落的速度就越快。

天上的星星之所以没有落向地球，是因为它们是轻物质，轻物质比重物质移动得更灵活、更快，所以天上的星辰都在绕着地球在运动。也因为圆是当时人们认为最完美的几何形状，显然，星辰绕地球运动也是圆周的……

虽然亚里士多德当时对我的理解，很符合人们的日常所见，也算是对我有了初步的描述。但是，后来的伽利略并不这么认为，他通过自由落体实验和斜面实验，证明亚里士多德的观点是错误的。

他发现，在真空中物体下落的过程，速度与物体质量大小无关，物体下落的距离与时间的平方成正比，它们的重力加速度都是一样的，大约都是9.8m/s^2。

开普勒当时也发现了他的行星运动定律，他发现地球并不是绕太阳在做圆周运动，而是一个椭圆形的轨道。

不管是伽利略还是开普勒，他们对我已经有了更多的了解，但是，为什么重物总是落向地球？为什么行星会绕着恒星做椭圆运动？他们当时都没有解释清楚原因。

牛顿对我的理解

一直到1687年，牛顿在伽利略和开普勒等人的理论基础上提出了万有引力定律。这时，我才有了正式的称呼：引力。

据说，牛顿是因为苹果落下来，砸到了脑袋才想到我的存在的。他认为苹果向地面落下来，是因为地球有一个对苹果的吸引力，而根据他的第二运动定律，力是相互作用的，苹果也会对地球有一个同样大小的吸引力。

后来他还发现，向远处扔一个石块时，石块会呈一个抛物线才落到地上。于是他想，假如扔石块的这个力越来越大，会是怎么样的结果呢？牛顿相信，如果有一门威力足够大的大炮，发射出一颗炮弹，速度足够快的话，这个炮弹就会绕着地球转圈圈，这个就是著名的“牛顿大炮”思想实验。

炮弹受到一个推力同时，也受到地球的引力，由于炮弹保持惯性运动，从而产生一个向心力。此时，炮弹似乎也有一个与向心力方向相反，大小相等的向外推的离心力，当炮弹的初始速度，让它的惯性运动和向心力达到平衡时，它就可以绕着地球转圈圈，就像你用手抓着一根耳机线，绕着头顶甩着耳机一样，耳机并不会飞离出去。

地球和其他的行星不就是这样绕着太阳转的吗？牛顿终于找到了规律，最后他得出结论：不管是天上的，还是地上的，有质量的物体之间都会存在着一个引力，这个引力的大小和物体的质量成正比，和它们的距离的平方成反比。这个也就是牛顿的万有引力定律。

你没有掉到太空中去，是因为地球和你之间有我在产生作用，而地球绕着太阳旋转也是因为太阳和地球之间有我的存在，并且地球的惯性运动和太阳的向心力之间达到了一种平衡的状态。

可是，地球和太阳那么遥远，我的引力是怎么产生作用的？这个牛顿当时也说不清楚。牛顿的万有引力公式中，引力只和物体的质量和距离有关而与时间没有关系，这意味着两个物体间的引力是超距作用的，是瞬间产生的。

爱因斯坦对我的理解

到了1905年，爱因斯坦的狭义相对论出来后，这个问题又被扯了出来。爱因斯坦说，狭义相对论是不允许空间中任何物体的运动速度超过光速的。你牛顿说万有引力是瞬间产生的，这不是超光速了吗？这不科学呀！

为了证明牛顿万有引力“超距作用”的说法是错误的，爱因斯坦后来用广义相对论，重新给我做了一番解释。他认为，你们之所以感觉到我的存在，是因为大质量的物体弯曲了时空造成的。

物体在自然状态下，是沿着阻力最小、距离最短的路线运动的，在平面中就是直线运动。但是，在曲面中，最短的距离并不是一条直线，而是一条测地线。

测地线示意图

当质量很大的物体把周围的时空弯曲时，附近的小质量物体就会沿着大质量物体弯曲的时空的测地线运动，最终跌落到大质量物体的“坑”里。此时表现出来的，就像是两个物体间有一种吸引力。这个也就是“物体告诉时空如何弯曲，时空告诉物体如何运动”。

爱斯坦还认为，物体的质量和能量是可以相互转化的，它们是物质的同一种属性，只是两种不同的表现形式而已。于是他断言，光虽然没有静止质量，但是运动中的光是有动量的，所以光也会受到大质量物体弯曲时空的影响。

为了证实爱因斯坦说法的正确性，到了1919年5月29日，正好有一次日全食。英国的科学家爱丁顿，派两波人分别到西非的普林西比岛和巴西的索布拉尔，去观测太阳背后毕宿星团的星光，看它们经过太阳时，是不是真的被太阳弯曲了。

结果观测得出，星光确实被太阳弯曲了一丢丢。两组人测量的结果，加权平均后得出偏移了1.79弧秒，和爱因斯坦算出来的1.74弧秒比较，误差在实验容许的范围之内。

爱因斯坦的广义相对论还预言了引力波、引力透镜和黑洞等等现象，后来都被科学家们证实和发现了。

从此，爱因斯坦的广义相对论得到了更多人的认可，爱因斯坦也从一个“了不起的科学家”变成了“世界的伟人”。而我，从此也有了新的定义和解释。

那么牛顿对我的描述错了吗？

牛顿关于我的说法被爱因斯坦的理论超越，但是我们并不能因此就说牛顿的理论是错误的，只能说它的适用范围是有限的。

其实，在你们的日常生活中，远远低于光速的运动和一般的物体质量之间，我产生的引力微乎其微，不会有很明显的差别，这时牛顿的理论可以说是有着超乎想象的精确性。但是，在接近光速或是像在黑洞这样质量巨大的地方，牛顿理论就失效了。

爱因斯坦广义相对论与量子理论的矛盾

爱因斯坦对我的描述也是并非完美的。在宏观的环境中，爱因斯坦关于我的理论，似乎是没有任何问题。但是，在原子、亚原子尺度下的微观世界里，它又跟量子力学理论有严重的、不可调和的矛盾。

目前，格拉肖、萨拉姆和温伯格已经在实验中证实，老三“电磁力”和老四“弱核力”本来是同一种力——电弱力，它们只是两种不同表现形式而已。而且，量子理论初步的间接证据表明，老二“强核力”可能一开始也是与“电弱力”统一在一起的。只有我，至今还没有很好的理论说明，最初我是和他们三个统一在一块的，现在连我的“引力子”都还没找着呢？

关于对我的描述，在宏观上广义相对论是对的，在微观上量子理论是对的，它们各持其职，相安无事。可是在有些地方，比如黑洞和宇宙大爆炸奇点的地方，物体的质量非常巨大致密，而它的体积又是极其的微小。这个时候就得同时用到广义相对论和量子力学的理论了。然而，它们各自有各自的说法，没法统一起来。在同一个宇宙，物理法则怎么会有两个不一样的解释呢？这让物理学非常的头痛。

谁将会是把我们四兄弟统一起来的人？

如何把爱因斯坦的广义相对论和量子力学的理论完全融合起来，让我们四兄弟统一到一块去，这可是物理学家们目前的终极梦想，他们称之为“大统一理论”。

爱因斯坦生前也一直在为此奋斗不息，可惜直到他生命的尽头，还没有看到一丁点儿的希望。关于这个“大统一”的问题，最终给出答案的将会是谁呢？这个我也不知道，答案就留给你们每一个人去寻找……

有识 有趣 有用 就是酱子聊科学，关注我涨姿势！

---

主要观点的资料来源：

皮埃尔.比奈托利的《追踪引力波》；

布莱恩.格林的《宇宙的结构》；

斯蒂芬.温伯格的《给世界的答案》；

爱因斯坦的《相对论》；

郭奕玲 沈慧君《物理学史》；

,