而我们生活在一个空间和时间组成的四维时空中,包括了空间的三个维度和一个时间维度。这样的时空发生弯曲,是我们的直觉不好理解的。
但总的规律是,物体在弯曲的时空中运动时,仍然会沿着最短的路线运动,只是我们作为观察者,感觉物体运动的轨道变成了曲线。
例如,地球绕太阳运动的轨道看上去是一个椭圆,但是太阳周围的时空,已经因为太阳这个大家伙的存在,而发生了弯曲,如果我们把弯曲的时空展开、铺平,地球绕太阳的轨道,就会变成一条直线。
正是因为时空发生了弯曲,所以我们看到了地球绕着太阳运动的现象,就好像是地球受到了太阳的引力作用一样。
在爱因斯坦看来,引力并不是物体之间神秘的超距作用,而是一种时空弯曲的现象。物质决定了时空的弯曲程度,弯曲的时空又决定了处于其中的物体会如何运动。
广义相对论取得了巨大的成功,牛顿万有引力定律能解释的现象,它可以解释;一些万有引力定律解释不了的现象,广义相对论依然能够完满解释,例如著名的水星近日点问题。
——注释:
水星的近日点问题:
水星绕日运动的椭圆轨道是缓慢变动的,水星距离太阳最近的点——近日点,也在随之转动。实际观测发现,同根据万有引力定律算得的理论位置相比,水星近日点的实际位置每100年多转动了0.63度的角度。牛顿的万有引力定律无法解释这个现象。
用牛顿引力定律计算的水星的理论位置一直和实际观测位置不符,而改用广义相对论计算后,水星的理论位置和实际观测吻合得很好。
从此,爱因斯坦把引力解释为时空弯曲的观点,受到了科学家们的追捧。但这就是引力的本质了吗?
广义相对论对引力的解释的确很成功,可以解释各种与引力相关的自然现象,苹果落地用广义相对论也可以准确地描述。
但是,引力还是太奇怪了,自然界中的另外三种力,强力、弱力和电磁力,都可以用描述微观世界的量子力学来很好地描述,可是引力却和量子力学格格不入。
比如,当科学家研究黑洞的中心,或者宇宙大爆炸的奇点时,这些场合的时空都非常微小,应该可以用量子力学很好地描述状态。但是这些场合中的物质密度又非常非常大,引力非常强,量子力学无能为力。
引力表现得非常宏观,天体的运动符合万有引力定律。可是如果我们试图庖丁解牛地从微观分析引力的本质时,却完全做不到。
看来,对于引力的本质,仅仅用时空弯曲来解释,还不那么令人信服。
最近,荷兰理论物理学家弗林德提出了自己的新引力理论,他认为,引力根本不是一种基本力,它其实是种“现象”,或者说,我们可以把它看作是一种“熵力”。
要理解这个对引力的新解释,我们首先要了解什么是熵。熵是人们为了描述一个系统的混乱程度而提出的概念。
比如,在一个盒子中放了许多红颜色的球,它们的颜色整齐划一,我们说这个盒子里的熵比较低。
当我们再向里面放几个白颜色的球后,盒子里球的颜色变得多样了,复杂了,我们说这个盒子里的熵增大了。
换句话说,熵越低,一个系统就越有秩序;熵越高,一个系统就越混乱。
物理学中有一个非常重要的热力学第二定律,就是关于熵的:如果没有外界影响,一个系统的熵总是趋向于增大的。
这个定律告诉我们,周围的世界总是趋向于混乱的,花瓶只会摔成碎片,而碎片却不会自己组合起来恢复原状;你的屋子如果不整理,就只会越来越乱,而不会自己变整洁。
至于我们人类或者其他生命体,之所以一直能保持有序状态,有细胞、组织、器官和系统,实际上是由于我们要不断从外界吸收能量,维持我们身体的秩序。人死之后,没有了外界能量输入,人体很快腐烂掉,变得更加混乱了,熵增加了。
从物理学上看,热力学第二定律要比牛顿定律或者广义相对论更基础,更贴近于自然规律的本源。
熵和我们探讨的引力有什么关系呢?有时候,在熵增大的趋势下,物体表现出的状态变化看起来就像受到了某种力的作用,我们可以用熵力来描述物体。
比如,我们熟悉的气体压力就是一种熵力:一团气体占据的空间越小,它的熵就小,占据的空间越大,它的熵就大。于是,这团气体就趋向于不断膨胀,去占据更大的空间,表现出来就是对外界的气体压力。
再比如,当我们拉长一根橡皮筋的时候,会感受到橡皮筋有往回缩的弹力,而这种弹力也是一种熵力。
因为在松弛的状态下,橡皮筋中的橡胶高分子链是杂乱无章地扭曲在一起的,当我们拉长橡皮筋的时候,就是在给橡皮筋一个外界的力量,使得橡胶高分子链整齐地排列起来了,更有秩序了。
由于橡皮筋有趋向于恢复到杂乱无章状态的熵增的趋势,它就试图缩回去,表现出来就是我们手感觉到的弹力,它对抗着我们手的拉力。
弗林德认为,引力的本质和气体压力、橡皮筋的弹力一样,并不是物体与物体的相互作用,也不是空间弯曲的现象,而是熵力的一种,是熵增大的趋势表现出来的一种现象,这才是引力的本质!
那么,对于两个物体之间神秘的引力,如何用熵力来重新解释呢?
先让我们看一看宇宙中的怪兽——黑洞的情况。黑洞引力巨大,甚至连光都逃不出它们的魔爪。每个黑洞都有自己的边界——视界,物质踏入视界一步,就会被吸入黑洞,万劫不复了。
从熵的角度看,黑洞吞噬物质的过程,显然是一个熵增的过程,黑洞吃进去的乱七八糟的东西越多,总质量就越大,使得黑洞的表面积也增大。
于是,黑洞的熵和它的表面积是成正比的。而且,天文学家可以通过研究黑洞的二维表面,来了解包含了黑洞物质在内的三维空间的性质,三维空间的信息都“记录”在了二维表面上。
黑洞如此,其它物体也一样,某一块空间的全部信息,其实都反映在包裹这块空间的表面上。根据热力学第二定律,物体都有熵增的趋势,而当一个物体接近一块包含着另一个物体的空间时,受此影响,空间表面的熵就会增大,这意味着整个空间的熵也增大了。
换句话说,物体与物体之间自然而然地有相互靠近的趋势,因为这样它们的熵就会增大。
物体与物体有相互靠近的趋势,就好像物体与物体之间在相互吸引,就好像它们之间存在一种神秘的、超距的引力!啊,原来引力就是熵力的一种表现而已。
弗林德对熵力进行了深入的研究。他发现,物体或空间的熵是与含有的物质多少有关的,所以质量越大的物体,熵也就越多。
而熵力的大小反映了物体或空间中熵的变化程度,熵力是和质量有关系的,从这个角度推导,就会得到牛顿的万有引力定律,力与物体的质量成正比。这个力我们可以叫它引力,当然现在叫它熵力更准确。
同样,爱因斯坦的引力方程也可以用熵力推导出来。弗林德并没有宣布广义相对论和万有引力定律是错误的,他只是把这两个理论当作了两种现象,而现象背后的真正主宰——热力学第二定律才是物理世界的本质,也是引力的本质。宇宙中并没有引力这个东西。
其实按照弗林德的理论,不仅引力不再是一种实实在在的基本力,像我们中学课本上出现的惯性、质量这些概念,也都不再是物体的本质属性了,它们都是一些宏观的现象,而制造这些现象的大导演,就是熵力。不仅引力是一种现象,连空间弯曲也是一种现象,而驱动宇宙运转的本源可能是热力学第二定律和熵力。
世界就像是坚果,被果壳层层包裹了起来,引力、质量、惯性都被隐藏在果壳之中,科学家正在剥开一层又一层的表面现象,逐渐接近了果壳里的真相。