你懂宇宙的 4 大作用力嗎?在時空中,只有「重力」才是真正的老大

gravitation in earth

【為什麼我們挑選這本書】人類的生活中,究竟存在多少「力」?讓手機摔到地板兇手其實是「重力」,吸貓若沒有「電磁力」喵皇就不能賞你一拳了。存在二次元最大的磁鐵「地球」,擔綱了我們生活中不可或缺的角色,而本文將提及至少 4 種文明世界中不可或缺的「力」,是如何影響著我們的生活。

本文選自《你也被唬弄了嗎?20 個最容易被誤解的科普知識》,作者軌道君(궤도)是年輕的科學知識傳播者,畢業於韓國延世大學天文宇宙學系與研究所,他日以繼夜地思考新點子,希望可以解惑大眾都想知道的事。(責任編輯:孫敬)

宇宙四大天王:重力、電磁力、強力、弱力

主宰人類的重力,竟是宇宙的霸主?

做父母的,總是時時刻刻擔心孩子,不知道他有沒有被別人欺負?在路上有沒有跌倒?不管有幾個孩子都一樣,沒有一天不為他們煩惱。尤其是體弱多病的子女,更是費盡心思地照顧。還沒有成為父母前,無法理解這樣的心情,這就是所謂的天下父母心。

「重力」的存在已完全融入日常生活中

天地初開之際,宇宙也孕育了多種力量形態的子女。如果能像美國漫畫《地球超人》一樣,當分別帶有土、火、風、水、心靈的力量合而為一時,地球超人就會出動了。漫畫中的世界固然理想,而宇宙歷經千辛萬苦,也只生下了四種能力。它們在極短的時間內誕生下來,所以也可以說它們是四胞胎。若要分出長幼順序,依序是:重力、電磁力、強力和弱力。年紀最長、身體卻最虛弱的重力,就是今天的主角。

首先, 如果你什麼事都沒做,卻發生某件莫名其妙的事,犯人很有可能是重力 。原本拿在手上的馬克杯,不小心掉落,大部分的人都會指責你的粗心大意,不過實際上讓馬克杯摔碎的決定性力量,來自於重力。重力沒有拉著馬克杯的話,你也不會犯這樣的錯。

如果在生活中用重力當藉口,只會讓你變成一個「邊緣人」。另外,騎腳踏車時會往旁邊倒,也是重力所致;玩騎馬背時,讓你朋友痛苦掙扎的原因也是重力;甚至當你在洗手間辦大事時,讓你和珍貴的棕色朋友能順利分開的也是它。

「電磁力」成為人與人互動間不可或缺的夥伴

除此之外, 大部分能感受到的力量都是電磁力 。不僅僅是磁鐵之間互相拉扯或推擠的力量,利用環繞在原子周圍的電子反彈力,使其互相排斥,也是電磁力的範疇。你之所以能突襲親吻貓咪,全託電磁力之福,而貓咪不悅地推開你的臉,賞你一巴掌,如果沒有電磁力的作用,牠也無法辦到。

嘴巴碰到貓咪臉頰的瞬間,適當的電磁力已事先把力量擠掉了。以免存在你們之間的原子核,在融合之下引發核聚變反應,在你和貓咪半徑幾千公里內的文明,得以保存至今。也就是說,所有互相接觸到的物質,都是依靠電磁力才能保持穩定。換句話說,從物理學來看,物質之間很難互相觸碰到。

強力與弱力十分難得一見,甚至比你實際遇到,經常出現在綜藝節目的偶像歌手的機率更低,因為它們是在相當微小的世界裡發生的事。從根本上來講,強力是製造原子核的力量。

原子核是由質子和中子組成 ,質子帶有正電荷(+),就像磁鐵的兩極,質子之間也是依靠電磁力相互推擠。若置之不理,原子核很容易分解。因此能讓它們並肩作戰, 友好相處的力量就是強力 (又稱「強交互作用」,實際上發生於夸克之間,是一股非常強大的力量)。與電磁力相比,它的排行比較小,不過它的力量最強,所以哥哥們也拿它沒輒。

「重力」雖然微小,卻是不可或缺的存在

弱力(電子與電微中子、緲子與緲微中子、陶子與陶中微子之間產生作用的力量)主要與引起核衰變的過程有關。由於弱力,中子會轉變為質子,過程中也會產生能量。另外,它又被稱為「弱交互作用」,但比起弱力,重力的強度更小。竟然比一聽,就覺得是軟柿子的弱力還弱,重力到底弱不禁風到什麼程度呢?如果比較它們的實際力量,結果更令人痛心。

首先,電磁力比弱力強一百倍,強力又比電磁力強一千倍。弱力與強力相較之下,只是相當微弱的力量。那身為人盡皆知的「病秧子」重力,它的力量到底有多小?強力的強度,足足是重力的十的四十四次方。如果說一百倍是在數字後方加二個零,那現在數字後面就得加四十四個零,兩者根本無法比較。光是把它們拿來比較的這件事本身,對另外三個兄弟來說,就不是什麼光彩的事。

重力的力量實在太微不足道,一般人都覺得啞口無言了,科學家該有多驚慌失措?重力究竟從小吃什麼長大,怎會如此弱不禁風?在說明之前,我們必須先了解一件事,那就是關於時空與次元的觀點。

雖然 重力的力量輕如鴻毛,但以射程距離 (又稱為「作用距離」,作用力的強度依序為:弱力 ↓ 強力 ↓重力=電磁力)來說, 它與電磁力確實比較有勝算 。弱力或強力的力量作用距離非常短,如果不是相當靠近範圍,它們就無法作用。

地球這塊大磁鐵對所有東西都會「互相吸引」

但是重力和電磁力的作用距離幾乎接近無限,代表說,無論相隔多遠的距離,你都可以感受到重力的存在;反過來說,整個宇宙中全部帶有質量的物體,都能互相感覺到對方的存在。解釋起來有些複雜,但世紀天才牛頓(Newton)曾說過:「因為蘋果對地球有吸引力,地球對蘋果也有吸引力,所以蘋果才會掉到地球上」。

仔細想想,地球不只吸引蘋果,而是吸引所有具備質量的物體。簡單地說,它與磁鐵吸鐵片的磁力相似。大部分的金屬碎屑都可以被磁鐵吸附。假設有一塊巨大的磁鐵,附近所有的金屬都被吸往它的方向。如果說磁力只適用於通電物質,重力就是只適用於具有質量的物質。因為這是天才說的話,所以大家都會信任,直到愛因斯坦以截球之姿出現為止。

依照牛頓的說法,沒有質量的物質就不會受到重力影響。就像不管我們再怎麼努力用磁鐵吸橡皮擦,它依然不動。令人驚訝的是,就連 沒有質量的光,路徑也會受重力影響而產生扭曲 。等一下,你說什麼?科學研究命題不能有例外?應該是哪裡出錯了。對於這個問題,愛因斯坦提出了有趣的建議:

其實重力並不是物體間作用的力量。

難道不是蘋果對地球有吸引力,地球對蘋果也有吸引力嗎?如果蘋果和地球沒有互相吸引,蘋果為什麼會掉到地上?愛吐舌頭的宇宙大天才,愛因斯坦提出了相對論的概念。

空間與質量驗證了「相對論」的存在

現在,我們暫時把廣闊的宇宙移到你的廚房裡,把將保鮮膜大範圍地鋪在空中,做成一個透明膜環繞你的時空。若在拉開薄透的保鮮膜上面,放一個相當有份量的鮪魚罐頭,保鮮膜會在凹陷時往下延展開來。接著,再丟入一顆非常輕巧的珠子,珠子會慢慢順著凹陷的保鮮膜滾下去。如果保鮮膜透明到幾乎不存在,我們就會認為珠子和鮪魚罐頭處在互相吸引的狀態。

說到底, 所謂的重力就是,代表有質量的鮪魚罐頭,直接改變了代表空間的保鮮膜。 隨著扭曲空間的凹陷,進而產生一股牽引周圍物質的流動力量,這就是現代廣義相對論的核心概念。

其實,宇宙大天才也是花了很長時間,才走到這一步。如果你想陪他,一步步走過相對論誕生的漫長旅程,現在請打開門,走到電梯去吧!一開始走進電梯,按了上面樓層的按鈕後,稍等一會。電梯往上爬時,你感覺自己的體重變重了。不要擔心,不是你突然變胖。這種感覺會隨著電梯加速,愈來愈強烈;相反地,如果電梯停止加速,開始墜落,此時你會產生一種好像懸浮在空中、重力突然消失的錯覺。如果真的發生這種情況,你可能不會有多餘的心思去思考這個問題。

就像這樣, 重力會隨著移動的方向或速度產生變化,甚至讓人有完全消失的錯覺 。現在,把電梯搬到地球外幾乎沒有重力的宇宙空間吧!起初,由於沒有重力,所以身體會像羽毛一樣輕盈。但如果電梯上升愈來愈快,你也會覺得自己愈來愈重。某個時刻起,你覺得自己接近地球上的體重。但若喝醉酒,神智不清地躺在沒有窗戶的電梯裡呼呼大睡,你可能連是在宇宙還是在床上都搞不清了,這就是愛因斯坦的相對論。

時間與時空的速度已難在現實中辨識

相對論有兩種,廣義相對論和狹義相對論。如果現在就想一口氣搞懂它們,就算你付了高於這本書的錢,我想也很難辦到。簡單說,這兩個相對論都是關於時空的故事。根據狹義相對論,快速移動的物體,時間會變慢。當時的普遍常識是這樣,像任何鐘錶店的時鐘,都是以同樣的速度轉動;在 宇宙任何地方,時間都是以相同的速度流逝。如果以接近光的速度移動,你的時間會變得比朋友慢

當你結束一個比光速還快的短暫旅行,再回到約定地點一看,明明手錶離約定時間只過了十幾分鐘,但你的朋友都已吃過午飯、還去了 KTV、喝完草莓香蕉果汁,然後已經回家了。

而且難度比這個更高,愛因斯坦也研究十年才發表的廣義相對論,正是與病秧子重力相關的理論。如果重力非常強,用保鮮膜做成的時空本身就會扭曲,時間也會相對變慢。就連流逝的時間也被困在這個空間裡,即使我們解釋成,重力用自己的力量抓住時間,在某種程度上讓時間流逝變慢,我想應該不會被科學家圍毆吧?就算要打也是打我,所以大家別擔心。

重力仍是世界中的主角

總而言之,根據宇宙大天才的說法, 唯一能在時空發揮作用的力量,就是重力。 強大的強力、比重力更強大的弱力,還有運用在多處的電磁力,即使是出類拔萃的它們,也無法動時空一根寒毛。所以才讓人覺得更奇怪。重力是最早誕生的老大,也是把時空玩弄於股掌間的小霸王,可是為什麼它會如此脆弱?繞了好大一圈後,很幸運,我們又回到了最初的問題。

於是科學家開始思考,在時空裡發揮作用的唯一力量是重力,那這個傢伙會不會跳到時空之外,跑到另一個次元去?甚至有人主張,重力本身並不是存在我們空間裡的力量,而是從更高次元產生的力量,所以重力在這個世界才會如此虛弱。就像從漫威漫畫阿斯嘉飛來的雷神索爾,在地球上也只是很會打架的鄰居大哥。

歐洲核子研究組織為了研究其他次元空間,製作了巨大甜甜圈形狀的實驗設備─大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC),用於翻炒微小粒子。研究顯示,如果高速衝撞粒子,它們偶爾會穿越到另一個次元,而且也曾發現來到我們次元的外來碎屑。如果哪天能證明其他次元的存在,也許重力就能擺脫「病秧子」的汙名了。

電影劇情中「重力」的存在是真的嗎?

重力已經超越了好萊塢明星,為許多電影做出莫大的貢獻。二○一三年上映的電影《地心引力》,重力本身就是電影標題和主角;另外在電影《星際效應》裡,男主角為了傳遞訊號給地球上的女兒,而使用了重力。

雖然也許是電影方面的想像力,卻都是建構在只有重力才可以影響時空的科學事實上。重力取代了超越時空的愛情,頻繁出現在電影中,或許是因為在眾多描述重力(attraction,吸引;引力)的英文單字中,浪漫因子作祟的科學家堅持不用拉扯之意的「pull」,選擇了吸引人之意的「attract」吧!

(本文書摘內容出自《你也被唬弄了嗎?20 個最容易被誤解的科普知識》,由 臺灣商務 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題;首圖來源:Unsplash。)

延伸閱讀

【神秘傳輸帶】科學家發現太陽系的「重力高速公路」,讓天體在 10 年內從木星飛到海王星

【傳了 70 億年的重力波】科學家觀測到史上最大規模黑洞合併,首次發現「中等質量黑洞」!

【探索宇宙新視界】黑洞生命最後 0.2 秒誕生的「重力波天文學」,開啟天文學新分支


點關鍵字看更多相關文章: