重力會說話

電影《星際大戰(zhàn)》中的歐比王講過一句可能是電影史上最經(jīng)典的臺詞，形容原力是“由所有生物創(chuàng)造的能量場，它環(huán)繞在我們周圍，滲透進(jìn)我們體內(nèi)，而且凝聚了整個星系?！边@句話很快就在流行文化中流傳開來，因?yàn)榇蠹野l(fā)現(xiàn)歐比王說的一定是萬用膠帶！畢竟萬用膠帶也有光亮面和黑暗面，還可以把東西捆在一起……

但是身為宇宙的一分子，頭腦機(jī)靈的你可能會對歐比王的這番話感到好奇，進(jìn)而提出疑問：“到底是什么讓星系凝聚在一起？”事實(shí)證明，宇宙結(jié)構(gòu)中確實(shí)有一股無所不在的力量，而這股力量的存在，也代表了宇宙的結(jié)構(gòu)本身，我們稱之為“重力”。

許多人都聽過自然界存在四種基本力的概念，這四種基本力分別是：重力、電磁力、弱核力以及色力（我們在實(shí)驗(yàn)中偵測到的從原子核中“滲漏”出來的微弱色力，就是強(qiáng)核力）。那為什么原力指的是重力，而不是其他的力？

一種力若要填滿宇宙，必須是長程力──畢竟宇宙可是個很大的空間。弱核力和色力是短程力，這兩種力可以在極小的距離下產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的作用。電磁力雖然是長程力，但它作用于存在帶電粒子的情況下。原則上，宇宙是呈現(xiàn)電中性的———相反的電荷會互相吸引，很快就會達(dá)到中和，相互抵消，也就不會剩下自由電荷。重力同樣是長程力，但它的“電荷”只有一種，我們稱之為“質(zhì)量”。質(zhì)量不會是負(fù)的，所以沒有什么能阻擋或是抵消重力，而且重力能作用于非常廣闊的距離。

如果說有什么力產(chǎn)生的作用能夠擴(kuò)及整個宇宙，那就非重力莫屬了，雖然重力微弱得不得了。哦哦哦，我看到你的臉上現(xiàn)在寫滿了懷疑！我前一秒才說重力可以凝聚整個星系，下一秒又說它微弱得不得了，到底是想怎樣？

我要說的是，重力和自然界中其他的力相比很弱。關(guān)于這一點(diǎn)，你在自家廚房就可以輕輕松松地做實(shí)驗(yàn)證明。請把一顆蘋果拿起來看看，是什么維系著蘋果的結(jié)構(gòu)？讓蘋果結(jié)構(gòu)得以維系的，大部分是存在于分子之間的分子間力，而這種力屬于自然界中的電磁力?，F(xiàn)在，請你試試看徒手將蘋果分成兩半。不太容易，對吧？

現(xiàn)在請站起來，然后往上跳，你能跳多高？就算跳不了多高也沒關(guān)系，請想想：你是可以暫時克服重力的。這只需要一點(diǎn)點(diǎn)化學(xué)能量就能做到了，即使是你中午啃的那些生菜（或是那顆蘋果），也足夠讓你克服整個地球的引力！所以，重力是很微弱的，而你強(qiáng)壯得很。

這些一本正經(jīng)的論證，都是在闡述大自然的基本性質(zhì)。雖然是很有趣的問題，不過你可能抓破頭也還是想不明白，了解這種知識到底有什么用？第一個廣為人知的重力定律，就是艾薩克·牛頓在1687年提出的牛頓重力學(xué)說。這個學(xué)說幾乎是立刻就被科學(xué)家用來解釋天體的運(yùn)動，但基本上，世人照常度日，渾然不覺這是多么驚人的成就。直到270年后，牛頓重力學(xué)說才終于實(shí)際應(yīng)用在人類建造或使用的事物上：1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，這需要深入研究軌道動力學(xué)才能實(shí)現(xiàn)，而軌道動力學(xué)就是從牛頓重力學(xué)說中衍生而來。

阿爾伯特·愛因斯坦在1915年寫出了現(xiàn)代物理學(xué)描述重力的理論，也就是廣義相對論，情況亦十分類似。當(dāng)時，廣義相對論馬上就被應(yīng)用于天體物理學(xué)，但直到20世紀(jì)晚期，才真正開始對廣義相對論的實(shí)際應(yīng)用。就讓我來講幾個故事，告訴你重力或者廣義相對論是如何改變我們世界的。

首先是“GRACE”?，F(xiàn)在社會大眾所關(guān)注的，多半是關(guān)于地球氣候變遷的爭議和討論，但大多數(shù)科學(xué)家仍然進(jìn)行著他們最擅長的事情———埋首工作、收集數(shù)據(jù)，然后找出數(shù)據(jù)所代表的涵義。對于氣候研究來說，地球的水文循環(huán)別具意義。水和地球上同等質(zhì)量的其他物質(zhì)相較，在熱力學(xué)上扮演的角色更為重要，因?yàn)樗梢詷O為有效地冷卻或加熱。水的移動，不論是在地表、海洋、云層、河川，還是在大氣層中，都對全球氣候有巨大的影響。但是水圈的范圍畢竟太大了，如果要監(jiān)測地球的水位，還有全球湖泊、河川和海洋中的水流，我們不可能通過到處裝設(shè)傳感器來完成。所以，我們要如何了解地球上的水，還有水的移動與變化呢？答案就是：靠重力。

衛(wèi)星大地測量可以精準(zhǔn)地測量地球的重力場。當(dāng)衛(wèi)星在地球上空飛行時，衛(wèi)星下方的質(zhì)量變化會使得重力的強(qiáng)度改變，進(jìn)而使得衛(wèi)星軌道改變。我們觀察軌道就可以了解重力以及制造出重力的質(zhì)量是如何改變的。在2002年，美國航空航天局啟動了一個名為“重力回溯與氣候?qū)嶒?yàn)”的任務(wù)，內(nèi)容是讓兩個相距大約220千米飛行的衛(wèi)星通過微波信號監(jiān)測彼此的軌道?！爸亓厮菖c氣候?qū)嶒?yàn)”在5年多中持續(xù)監(jiān)測地球的重力場，并且觀察重力場如何隨著地球上的水和冰層的移動而變化。比如，亞馬孫盆地的重力會隨著雨季的來臨和結(jié)束而增減。其他類似的觀察結(jié)果也說明地球上的冰層正在發(fā)生變化，尤其是在北極圈和南極圈。

第二個故事是GPS。重力在你的日常生活中最普遍的應(yīng)用方式，或許就是GPS了。在GPS轉(zhuǎn)而運(yùn)用于飛機(jī)和車輛的導(dǎo)航之后，接著又出現(xiàn)內(nèi)建GPS的智能型手機(jī)，從此掀起一股定位服務(wù)的熱潮。通過定位服務(wù)，你可以找尋朋友、當(dāng)?shù)氐牟蛷d和書店，也能在陌生城市里找到演唱會的會場。

基本上，GPS是通過三角測量運(yùn)作的。衛(wèi)星會送出定時信號，由你的智能型手機(jī)或是GPS導(dǎo)航裝置接收。衛(wèi)星每次發(fā)送的信號都會與其他衛(wèi)星的信號同步，也就是說，如果你和兩顆衛(wèi)星之間的距離相等且固定，你會接收到兩邊發(fā)出的相同定時信號。就像使用耳機(jī)一樣，左右兩邊的聲音是同步的，所以你的雙耳會同時聽到歌曲中正確對應(yīng)的部分。如果你比較靠近某顆衛(wèi)星，那么你從這顆衛(wèi)星接收到定時信號的時間會比其他較遠(yuǎn)的衛(wèi)星更早（就像是在運(yùn)動場上看田徑比賽，賽跑選手會比你先聽到起跑槍響，因?yàn)樗麄兊奈恢帽容^接近發(fā)令槍）。導(dǎo)航裝置會將你的當(dāng)?shù)貢r間跟從衛(wèi)星接收到的時間做比較，借此判斷你和各個衛(wèi)星之間的距離。由于已經(jīng)掌握各個衛(wèi)星的位置，導(dǎo)航裝置就可以計(jì)算出你的位置了。

衛(wèi)星定時信號必須經(jīng)過修正，其運(yùn)用的就是廣義相對論。為什么呢？因?yàn)樵诘厍虻闹亓鲋校l(wèi)星所在的位置比你高得多，而廣義相對論告訴我們，時鐘在衛(wèi)星上行走的速度是不一樣的。有多不一樣呢？廣義相對論對時鐘時間的修正，1天內(nèi)大約是38微秒──也就是百萬分之38秒！你可能會想“這差別很小嘛”。沒錯，差別確實(shí)是很小，但是GPS的運(yùn)作，是根據(jù)光在一定時間內(nèi)所行進(jìn)的距離。在38微秒內(nèi)，光行進(jìn)的距離是11.4千米！當(dāng)你想找一家壽司店，或是要找你家小孩接下來要比賽的足球場，11千米可是一段漫漫長路！

第三個故事是關(guān)于重力波的。這是最后一個故事了，但我要講的不是重力的實(shí)際運(yùn)用，而是人類利用重力揭開宇宙奧秘的夢想。1918年，愛因斯坦在探索廣義相對論的意義時，發(fā)現(xiàn)了一種重力輻射的存在。這種帶有能量的重力是從星體或星系發(fā)出的，朝著遙遠(yuǎn)的宇宙邊際輻射出去。愛因斯坦計(jì)算了這種輻射的強(qiáng)度，很快就認(rèn)定要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量即便不是完全不可能，也會是極度困難的。

不過快轉(zhuǎn)回畫面到現(xiàn)在，我們可以運(yùn)用的科技已經(jīng)完全超出愛因斯坦的想象了———我們有精確度極高的高功率激光、可準(zhǔn)確定位地球上任何物體的GPS定位系統(tǒng)、每秒能進(jìn)行幾億個運(yùn)算作業(yè)的高效能計(jì)算機(jī)，此外還有遍布全球的網(wǎng)絡(luò)，即使跨海傳遞信息，也像你對著走廊上的同事大喊一樣容易。最重要的是，我們擁有眾多的科學(xué)家，他們不但經(jīng)過良好訓(xùn)練，更精通揭開自然奧秘的方法，這就是地球栽培出來的最優(yōu)秀的人才。綜合以上各種利器，我們就有能力將愛因斯坦渴盼的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，測量那股來自宇宙遙遠(yuǎn)彼端、籠罩地球的微弱重力回波。

對于重力輻射的探討歷時將近1世紀(jì)，集大成的是一臺壯觀宏偉的機(jī)器，被稱為激光干涉重力波天文臺。新一代的天文學(xué)者，也就是所謂的重力波天文學(xué)家，會以激光照射這臺機(jī)器長達(dá)4000米的雙臂，希望借此探測到中子星和黑洞趨向塌縮的螺旋之舞，還有年輕的脈沖星不斷自旋直到終于化為宇宙星塵期間發(fā)出的低吟。如果夠幸運(yùn)的話，或許還能探測到恒星死亡時產(chǎn)生的激烈的超新星爆炸，在這過程中會產(chǎn)生許多原子，包括組成我們的大部分原子在內(nèi)。

重力波天文學(xué)讓我們能以全新的角度，重新探究我們的起源和地球在宇宙中的定位，再一次盡情發(fā)揮我們與生俱來的天賦———那無窮無盡、永不饜足的好奇心和求知欲。雖然人類的想象力帶來了這樣的創(chuàng)舉，但是，這真的能有什么實(shí)際的成果嗎？成果或許并非顯而易見，因?yàn)檫M(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的最初動機(jī)，并不是為了要有什么實(shí)用成果。然而，從曼哈頓計(jì)劃、“阿波羅”宇宙飛船到激光干涉重力波天文臺，這些科學(xué)與工程技術(shù)的結(jié)晶，終究會為人類帶來福祉。激光干涉重力波天文臺的科技，已經(jīng)讓許多研究有所拓展，比如光學(xué)和激光技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)能力。但是要在你家客廳看到這項(xiàng)科技帶來的改變，恐怕還要等上7年、70年，甚至是270年。

重力的科學(xué)發(fā)展向來如此，要花多少時間，就看我們的工程師和科學(xué)家如何突破舊思維，發(fā)揮創(chuàng)造力了！