新知丨既平常又神秘的万有引力
2015/8/17 中科院之声

     20世纪80年代，美国科学家利用“阿波罗”登月飞船放置在月球上的反射镜，对月地之间的距离进行了精确的测量，并开展了相关的研究。

     当我们向月球上的反射镜发射功率强大的激光束时，这束包含有千万亿颗光子的激光束，最后可能只有几个光子能返回到地球上的接收装置，但科学家凭这几个光子，就可以计算出月球和地球之间的精确距离。现在，测量精度已达到了1厘米，科学家还在进一步改进设备，希望将精度提高到毫米量级。科学家为什么要耗费如此巨大的财力和人力来研究这一问题呢？

     月球是离我们地球最近的天体，测定它的运行参数对我们来说最方便、也最可靠。如果要想验证能够说明天体运行规律的引力理论，那么月球无疑是一个最佳的研究对象。现有的事实表明，牛顿的引力理论和实际情况有一点小小的差异，那么，爱因斯坦的广义相对论呢？

     科学家告诉我们，宇宙中存在四种自然力：万有引力、电磁力、弱相互作用力及强相互作用力。万有引力是四种自然力中最为人们所熟知，也是最早给出定量计算方法的一种作用力。在牛顿及爱因斯坦的引力理论早已得到广泛应用的今天，在万有引力的背后，会不会还隐藏着某些不为人知的秘密？

     “天宫一号”里的航天员

     2012年6月及2013年6月，我国相继发射了“神舟九号”及“神舟十号”太空飞船，并且精确地实现了和“天宫一号”的对接。先后有六名中国航天员在“天宫一号”里工作和生活。当他们在“天宫一号”里飘浮，特别是王亚平在天宫一号里所做的各种神奇物理实验的画面传到地面时，我们都会感到异常惊讶：原来天上的情况和地面上的有如此巨大的差别。那么，为什么会有如此大的不同呢？根据力学中的相关知识可知，一个绕中心作圆周运动的物体，对中心有一个离心力。因此，在离地面340多千米的高空围绕地球高速飞行的“天宫一号”及“天宫一号”里的航天员和里面的各种物体，会受到一个和地球引力方向相反的离心力，这个离心力正好抵消了地球对他们的引力，这时的航天员及里面的各种物体都处于一种失重状态。没有了重力的影响，在地面上可以“飞流直下三千尺”的水流，成了一个个晶莹剔透、在空中飘舞的小水球；没有了重力的影响，即使体重达一百多斤的航天员，也可以轻而易举地在空中飘来飘去。可见，万有引力对世上一切的影响有多大。

    

     图1 “神舟九号”待命发射

    

     图2 “神舟九号”与“天宫一号”准备对接

     虽然航天员的经历令人向往，但对于日常生活来说，我们并不希望自己也处于这种失重状态。我们还是希望地球引力这只无形的“大手”能紧紧地拽着我们，使我们能够在地面上平安地生活。万有引力除了能保证人类在地面上安全生活以外，它也维持着宇宙中各种天体的正常运转。

    

     图3 在“天宫一号”里漂浮的王亚平

    

     图4 在失重状态下生成的水球

     但是，万有引力的巨大作用还远远不止这些。可以说，如果没有万有引力就没有我们现在所见到的宇宙，就没有我们现在所居住的地球，天空中就没有太阳、没有月亮，也没有那么多闪闪发光的星星。

     小星星是怎样被“点燃”的？

     在北京奥运村鸟巢体育场的西侧，有一座宏伟的建筑——盘古大观，它南北走向，全长近700米，南端是高达192米的写字楼，楼顶的造型似乎像一条巨龙的龙首，大楼的外墙上有巨大的电子显示屏，每当人们经过这里，都要驻足凝望。这座以中国神话传说中的人物——盘古名字命名的大楼，也是奥运期间最引人注目的建筑物之一。

    

     图5 神话传说——盘古开天地

     小时候，曾经听大人们讲盘古开天辟地的故事，那时对盘古这位英雄既好奇又崇拜。长大后，接受了现代科学知识的教育，才知道宇宙万物原来是起源于一次大爆炸。(宇宙大爆炸是上世纪才逐步建立起来的关于宇宙起源的一种学说。)但令人惊讶的是，这两者之间，还存在着异曲同工之妙：宇宙都是由一个原始的“小不点”膨胀而成。只是在我们的神话传说中多了一点人情味。可以说，“大爆炸学说”是盘古开天辟地故事的一个现代科学版本。这也使我们不得不佩服中华民族先人的聪明才智及丰富的想象能力。

     这个科学版本告诉我们：原始的宇宙只是一个极其微小的“小不点”，其体积还没有一个原子核大，但它却具有极高的温度、极高的密度，其中包含了巨大的能量。大约在137亿年前的某一刻，它突然发生了猛烈的爆炸，其体积也迅速地膨胀，经过137亿年的时光洗礼后，这个“小不点”就演化为了一个我们眼前所见到的、浩瀚无比的宇宙。

    

     图6 宇宙大爆炸示意图

     早期的宇宙，温度非常非常高，其中只有强烈的辐射，还没有各种基本粒子(基本粒子是指那些组成世间万物、不可再分割的最小粒子，如夸克、电子、光子等。)，更没有原子和分子。在宇宙诞生后几分钟，随着它体积的快速增大，温度已下降到10亿度左右，此时的宇宙中出现了电子、质子、中子等粒子。至诞生后的13分钟，宇宙已基本完成了氢、氦及少量锂原子核的合成，但由于此时宇宙的温度仍太高，它还是一团炽热的等离子体，无法形成中性原子。又经过数十万年的演化，当宇宙的温度下降到几千度时，在电磁力的作用下，原子核才有可能开始捕获电子，形成中性原子，如：氢、氦、锂等。根据科学家的估计，现在宇宙中物质的成分为：氢元素占74%，氦元素占24%，其余的为2%。

    

     图7 大爆炸留下的余晖

     (上图是科学家用WMAP卫星获得的宇宙微波辐射背景图，现在所探测到的这些微弱的宇宙微波背景信号，就是137亿年前宇宙大爆炸留下的余辉。)

     也许读者会问：为什么在大爆炸过程中没有合成较重的元素呢？在早期的宇宙中，当合成了氢、氦、锂等元素的原子核后，此时，由于宇宙温度的下降，已没有条件再合成原子量更大的原子核。现在宇宙中比锂重的元素，有一部分是在恒星这座大“熔炉”里，通过核反应“炼”成的。但恒星内部的合成反应也只能到铁为止，对于比铁更重的元素，由于聚变反应时需要吸收能量，而不是放出能量，因此，他们已无法在恒星这座“熔炉”里生成。那些重元素是在超新星爆发时的高温环境中生成的。(“超新星”是指恒星在坍塌死亡过程中将其外围的物质喷发出去所形成的新星。)

     天空中星星的形成比氢、氦等元素的合成要晚得多。由于所有物质之间都存在着万有引力，这些由气态氢和氦组成的原始星云，在引力的作用下，开始三三两两地聚集成团，并且越来越大，经过多少亿年的演化以后，他们就逐渐形成了各种星系。现在已知，在可观察到的宇宙范围之内，大约有4000亿个像银河系一样的星系。每个星系中又包含了许许多多的恒星，有些恒星的周围，还有一些行星围绕着它旋转。在银河系中，大约有2000亿颗恒星。银河系的中心区域如同一个中间厚、边缘薄的大“铁饼”，它的外围还有四条旋臂，我们的太阳系就位于其中的一条旋臂上。这就是我们现在所见到的星空。天文学家利用哈勃望远镜，已观测到大爆炸后8亿年时所形成的星系。

    

     图8 银河系示意图

     每一颗小星星在引力的作用下，会聚集越来越多的氢、氦等元素，它的质量也越来越大，当然引力也越来越强。在强大引力的压缩下，星星中心区的压力越来越大，温度也越来越高，当达到1500万度以上的高温时，就会触发星星中氢元素的热核反应，恰如我们现在所看到的太阳一样。这样，星星就被“点燃”了，它就成了一个大火球。此时，即使离我们非常非常遥远的星星，我们的肉眼也都能够看到他们放射出来的光茫。这些星星有大有小，像太阳这样的恒星只是一颗中等规模的星星。不过，在这第一批“降生”的星星中，还没有我们的太阳系，它是第一批星星的“后代”。

    

     图9 美丽的星空

     我们可以看到，在这个演化过程中，引力对物质的聚集，星星的“点燃”，都起到了关键性的作用。因此我们可以说，没有万有引力，就不会有今天这个美丽的、镶着满天星斗的天空。

    

     图10 漩涡星系

     那么，这些星星为什么还会不停地运动呢？我们的地球在围绕着太阳旋转，整个太阳系及银河系中所有的星星都在围绕着银河系的中心旋转。他们的动力又来自哪里呢？

     这些原始的宇宙物质在聚集过程中，产生了一个指向中心的巨大引力，但是由于在这个过程中，这些物质还会受到其他引力源的影响，这个引力并不能完全指向中心，此时就会产生一个角动量，形成天体围绕中心的旋转。在日常生活中，我们也可以看到类似的情况，如果河床底部有一个渗流的孔洞，那么，河水在向中心孔洞快速渗流过程中，河水还会发生强烈的旋转。

    

     图11 水在流向中心孔洞时形成的旋涡

     科学家认为，在银河系的中心，隐匿着一个巨大的黑洞。(所谓“黑洞”是指一种质量非常大、能将光线也吸入其中的天体，它是大质量恒星死亡时，由其内核塌缩而成的。)由于它的强大引力，才使银河系家族的所有成员，不离不弃地围绕着它的中心旋转。因此，星星不断运动的动力之源主要也是万有引力。

     至此，我们已经说到了天空中这些星星的来源，以及他们为什么会不停地运动。当然，本文只能粗略地为读者描绘一个大概的轮廓，实际的情况还要复杂得多，有些问题，天文学家至今也还没有完全搞明白。

     爱思索的读者可能还会问：我们前面讲到的宇宙之源是一个高温、高压及高密度的“小不点”，那么，这个“小不点”又来自何处呢？关于这一点，我们只能遗憾地告诉读者，即使世界上最优秀的宇宙学家，现在也无法给你一个肯定的答复。

     但是，在这里我们可以介绍一个没有定论的说法：宇宙之源是什么呢？实际上，宇宙来自于“无”，我们的宇宙是属于“无中生有”。初看起来，这种说法似乎有些荒唐可笑，也太不科学了。

     两千多年前，我国的思想家老子，在他的《道德经》中，提出了这样一种看法， “道生一，一生二，二生三，三生万物”。这里的“道”有多种含义，道有时候也可以表示某种虚无、无为、不可言语的东西，它既不是物质，也不是精神，而是“无”。老子认为：“天下万物生于有，有生于无”。

     难道现在的科学家也和我们两千多年前的祖先持类似的看法？如果我们的读者能深入去学习量子理论及相对论，那么你就能悟出“无中生有”这种说法的一些道理。

     现在，我们已经知道了万有引力对宇宙的形成及正常运转所起到的重要作用。而万有引力的发现及相关理论的建立，要归功于两位伟大的科学家–––牛顿和爱因斯坦。有关他们的故事，将在下文中告诉大家。

     来源：中国科普博览

     作者林烈，系中国科学院力学研究所研究员，本文已经收录于中国科学院21世纪科普丛书《我们的宇宙有多大》分册。

    

    

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