“變臉”的引力

齊利

引力變臉一：一張彎曲的膜

進入20世紀，人類對自然的認識不斷進步，出現了對引力的新解釋。愛因斯坦用廣義相對論，對引力的本質作了進一步的分析。

當一個蘋果從樹枝上脫落，開始自由落體運動時，蘋果受到的引力等于重力，我們會發現，蘋果的加速度就與質量無關了。把方程兩邊的慣性質量和引力質量一并約掉，蘋果的加速度就等于蘋果樹所處位置的重力加速度，這就是兩個不同質量的鐵球能夠同時落地的原因。同樣，月球圍繞地球轉，地球圍繞太陽轉，這些天體在引力場中的運動規律也與自身的質量無關。

愛因斯坦意識到，沒有了質量，天體在引力場中的運動好像根本不是什么動力問題，而是一個幾何問題了。他認為，所謂的引力，其實并不是兩個物體之間存在著神秘的相互作用，而是時空本身的幾何屬性!

想通了這個道理，愛因斯坦提出了著名的廣義相對論。他指出，物質或能量的存在，會扭曲周圍的時空，質量或能量越大，周圍的時空彎曲的程度就越大。這就好比我們在一張橡皮膜上放一個小鐵球，由于鐵球的存在，它周圍的膜會凹陷下去，橡皮膜這個二維的平面就出現了彎曲。原本膜上有一條直線，在膜發生凹陷后，就變成了一條曲線。

而我們生活在一個空間和時間組成的四維時空中，包括了空間的三個維度和一個時間維度。這樣的時空發生彎曲，是我們的直覺不好理解的。但總的規律是，物體在彎曲的時空中運動時，仍然會沿著最短的路線運動，只是我們作為觀察者，感覺物體運動的軌道變成了曲線。例如，地球繞太陽運動的軌道看上去是一個橢圓，但是太陽周圍的時空已經因為太陽這個大家伙的存在而發生了彎曲。如果我們把彎曲的時空展開、鋪平，地球繞太陽的軌道會變成一條直線。

正是因為時空發生了彎曲，所以我們看到了地球繞著太陽運動的現象，就好像是地球受到了太陽的引力作用一樣。在愛因斯坦看來，引力并不是物體之間神秘的超距作用，而是一種時空彎曲的現象。物質決定了時空的彎曲程度，彎曲的時空又決定了處于其中的物體會如何運動。

引力變臉二：一種“熵力”

廣義相對論對引力的解釋的確很成功，可以解釋各種與引力相關的自然現象，蘋果落地用廣義相對論也可以準確地描述。但是，引力還是太奇怪了，自然界中的另外三種力——強力、弱力和電磁力，都可以用描述微觀世界的量子力學來很好地描述，可是引力卻和量子力學格格不入。比如，當科學家研究黑洞的中心或者宇宙大爆炸的奇點時，這些場合的時空都非常微小，應該可以用量子力學很好地描述狀態。但是這些場合中的物質密度又非常非常大，引力非常強，量子力學無能為力。

引力表現得非常宏觀，天體的運動符合萬有引力定律。可是如果我們試圖庖丁解牛地從微觀分析引力的本質時，卻完全做不到。看來，對于引力的本質，僅僅用時空彎曲來解釋，還不那么令人信服。

荷蘭理論物理學家弗林德提出了自己的新引力理論。他認為，引力根本不是一種基本力，它其實是一種“現象”，或者說，我們可以把它看作是一種“熵力”。是熵增大的趨勢表現出來的一種現象，這才是引力的本質!

引力新說：如何用熵力來重新解釋?

先讓我們看一看宇宙中的怪獸——黑洞的情況。黑洞引力巨大，甚至連光都逃不出它們的魔爪。每個黑洞都有自己的邊界——視界，物質踏入視界一步，就會被吸入黑洞，萬劫不復了。從熵的角度看，黑洞吞噬物質的過程，顯然是一個熵增的過程。黑洞吃進去的亂七八糟的東西越多，總質量就越大，使得黑洞的表面積也增大。因此，黑洞的熵和它的表面積是成正比的。而且，天文學家可以通過研究黑洞的二維表面，來了解包含了黑洞物質在內的三維空間的性質，三維空間的信息都“記錄”在了二維表面上。

黑洞如此，其他物體也一樣，某一塊空間的全部信息，其實都反映在包裹這塊空間的表面上。根據熱力學第二定律，物體都有熵增的趨勢，而當一個物體接近一塊包含著另一個物體的空間時，受此影響，空間表面的熵就會增大，這意味著整個空間的熵也增大了。

換句話說，物體與物體之間自然而然地有相互靠近的趨勢，因為這樣它們的熵就會增大。物體與物體有相互靠近的趨勢，就好像物體與物體之間在相互吸引，就好像它們之間存在一種神秘的、超距的引力!啊，原來引力就是熵力的一種表現而已。

弗林德對熵力進行了深入的研究。他發現，物體或空間的熵是與含有的物質多少有關的，所以質量越大的物體，熵也就越多。而熵力的大小反映了物體或空間中熵的變化程度，熵力是和質量有關系的。從這個角度推導，就會得到牛頓的萬有引力定律，力與物體的質量成正比。這個力我們可以叫它引力，當然現在叫它熵力更準確。

原來，宇宙中并沒有引力這個東西。