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在太空中開槍,子彈能永遠飛行?我們都想得太簡單了!

我們都知道太空是真空的,沒有重力,也沒有空氣阻力。假如你朝一個方向飛,在沒有外部力量拉住你的情況下你就有可能永遠飛下去,再也停不下來。但事實真是如此嗎?

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射出的子彈

首先在太空中飛行的子彈如果不受外力的影響的確是可以一直運動下去的,因為沒有任何外部力量的影響。但是問題的關鍵就在於,永遠保持運動的前提是沒有其他力量的干擾,其他恆星、行星的引力都會讓它偏離原來的軌道,甚至被吸走。

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在宇宙中開一槍會發生什麼?

在太陽系外部軌道運行的海王星距離太陽有45億公里遠,但是依然被太陽引力牢牢的控制在軌道上,除非太陽熄滅否則永遠無法擺脫。當然海王星本身也有足夠大的質量才能被太陽牽引,這麼遠的距離肯定沒辦法拉扯到子彈這麼小質量的東西。

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海王星

一顆子彈要被其他引力影響,那得是和這個產生引力的星體足夠近才行。比如在大氣層內,子彈會因為地心引力徑直掉下去,但是一旦脫離了引力控制,會飛到哪裡去誰也不知道,直到被下一個引力源所捕獲。

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行星的引力非常大

但是宇宙之大,能夠影響這顆子彈運動軌蹟的東西太多了,如果在它的旅途中碰到了小行星帶、伽馬射線爆炸、輻射風暴等因素的干擾一樣會被拉扯甚至終止運動。雖然說在廣闊無垠的宇宙中一粒子彈想要碰到這些事情簡直是和撞彩票一樣,但概率低畢竟不代表不存在。

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小行星帶

在科幻小說《三體》中,章北海就是用一枚由隕石加工成的子彈在非常遠的位置擊殺了限制人類研發恆星級聚變發動機的技術人員。在宇宙裡開一槍會怎麼樣,其實是很能激發我們想像力的。

 

宇宙其實沒有引力

引力對於人類來說,既熟悉又陌生。說它熟悉,是因為從我們身邊直至整個宇宙,引力無處不在。小到蘋果落地,大至日月星辰的運轉,一切都是引力的作用。引力也是科學家們最早開始研究的一種力,牛頓很早就發現了著名的萬有引力定律,之後,愛因斯坦的廣義相對論把人類對引力的認識推向了高峰。而說它陌生,是因為時至今日,人類依然沒有完全認清引力的本質。

1534837593-9856-153456536498894768d857e你好,這位是引力

一個二十幾歲的年輕人坐在蘋果樹下,思考著是什麼讓月球繞著地球旋轉。這時,蘋果樹上突然掉下來一隻蘋果,年輕人恍然大悟:這只蘋果沒有斜著飛出去,也沒有飛向天空,而是豎直落了下來,這是因為地球對蘋果有引力!那麼,讓月球繞著地球旋轉而不是飛離的原因,也是因為地球對月球有引力。

這個年輕人就是英國大科學家牛頓,據說他被落下的蘋果砸到了腦袋,於是產生靈感,發現了萬有引力定律。不管這是真是假,牛頓的確發現了讓蘋果下落的力與讓月球圍繞地球旋轉的力是同樣性質的力,這種力的大小和物體間距離的平方成反比。引力的概念一經提出,立刻取得了巨大的成功,用萬有引力定律,牛頓非常完美地解釋了各種天體為什麼會那樣運動,當然他也解釋了為什麼蘋果會落向地面。

但是,牛頓雖然把引力介紹給了全世界,他自己卻對引力這個新朋友感到很困惑。最讓他感到困擾的是,力是物體對物體的作用,力要通過物體的相互接觸或者某種媒介進行傳遞。可是引力似乎可以無視距離遠近,也不需要任何媒介,就可以瞬間在相隔很遠的物體之間發生作用,這就是所謂的“超距作用”。隔空一抓,東西就飛過來的場面,應該只能出現在神話故事裡面,可是引力卻也有這種本領,牛頓覺得這太荒謬了,可是不用引力,又無法解釋天體的運動。

為了解釋引力的超距作用,牛頓也曾求助於一種神秘物質——以太。由於人們無法想像世界上會存在空無一物的空間,於是構想出來一種叫做以太的物質,它充滿了整個宇宙的各個角落,物體之間可以通過以太相互作用。

牛頓假設,越靠近物體的周圍,以太的密度就越大,使物體之間的作用就越強烈,這就解釋了為什麼引力與距離的平方成反比。以太推動一個物體向另一個物體運動,於是我們就看到這兩個物體好像在互相吸引。

當然,這都是假設,沒有任何實驗依據,而且人們後來證明,宇宙中根本就沒有以太這種神秘物質,因此牛頓對引力超距作用的解釋自然也就不可能是正確的。引力到底是個什麼東西,人們依然想不明白。

引力化身彎曲的膜

進入20世紀,人類對自然的認識不斷進步,終於出現了對引力的新解釋,德國大科學家愛因斯坦用廣義相對論,對引力的本質做了進一步的分析。

1534837593-5931-1534565364904cddeb1e53d學習物理的時候我們知道,物體都是有一定質量的。但很少有人會知道,物體其實有兩種質量——引力質量和慣性質量。在萬有引力定律中,引力同距離的平方成反比,同物體的質量成正比。這裡我們提到的質量,其實是物體的引力質量,它反映的是這個物體受到引力作用後,做出反應的強弱程度,質量越大,反應越“強烈”,也就是說,在其它條件不變的情況下,質量越大,引力就越大。

而在牛頓第二定律中,物體的加速度與所受的力成正比,同自身的質量成反比。這裡提到的質量,其實是物體的慣性質量,它反映的是這個物體的運動狀態是否容易被力改變,質量越大,就越不容易被力改變。換句話說,其它條件不變的情況下,質量越大,加速度越小。

從物理學角度看,慣性質量和引力質量描述的事物是有所區別的。不過在生活中,我們從來不會特意區分這兩種質量,因為同一物體的這兩個質量是精確相等的。科學家在實驗室中用最精密的儀器,也沒發現它們有絲毫的差別。

由於引力質量和慣性質量相等,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(ma)等於重力(mg),我們會發現,蘋果的加速度就與質量無關了(ma= mg),把方程兩邊的慣性質量和引力質量一併約掉,蘋果的加速度就等於蘋果樹所處位置的重力加速度(a=g)。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。

1534837593-6855-1534565364661a508c2c6f8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麼動力問題,而是一個幾何問題了。他認為,所謂的引力,其實並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,由於鐵球的存在,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,在膜發生凹陷後,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傢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。

1534837594-9135-15345653647784c1901ad6a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,引力並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於其中的物體會如何運動。

廣義相對論取得了巨大的成功,牛頓萬有引力定律能解釋的現象,它可以解釋;一些萬有引力定律解釋不了的現象,廣義相對論依然能夠完滿解釋,例如著名的水星近日點問題。用牛頓引力定律計算的水星的理論位置一直和實際觀測位置不符,而改用廣義相對論計算後,水星的理論位置和實際觀測吻合得很好。

從此,愛因斯坦把引力解釋為時空彎曲的觀點,受到了科學家們的追捧。但這就是引力的本質了嗎?

引力再次大變臉

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,對於引力的本質,僅僅用時空彎曲來解釋,還不那麼令人信服。

最近,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,它其實是種“現象”,或者說,我們可以把它看作是一種“熵力”。

要理解這個對引力的新解釋,我們首先要了解什麼是熵。熵是人們為了描述一個系統的混亂程度而提出的概念。比如,在一個盒子中放了許多紅顏色的球,它們的顏色整齊劃一,我們說這個盒子裡的熵比較低。當我們再向裡面放幾個白顏色的球後,盒子裡球的顏色變得多樣了,複雜了,我們說這個盒子裡的熵增大了。換句話說,熵越低,一個系統就越有秩序;熵越高,一個系統就越混亂。

物理學中有一個非常重要的熱力學第二定律,就是關於熵的:如果沒有外界影響,一個系統的熵總是趨向於增大的。這個定律告訴我們,周圍的世界總是趨向於混亂的,花瓶只會摔成碎片,而碎片卻不會自己組合起來恢復原狀;你的屋子如果不整理,就只會越來越亂,而不會自己變整潔。

至於我們人類或者其他生命體,之所以一直能保持有序狀態,有細胞、組織、器官和系統,實際上是由於我們要不斷從外界吸收能量,維持我們身體的秩序。人死之後,沒有了外界能量輸入,人體很快腐爛掉,變得更加混亂了,熵增加了。

從物理學上看,熱力學第二定律要比牛頓定律或者廣義相對論更基礎,更貼近於自然規律的本源。

熵和我們探討的引力有什麼關係呢?有時候,在熵增大的趨勢下,物體表現出的狀態變化看起來就像受到了某種力的作用,我們可以用熵力來描述物體。比如,我們熟悉的氣體壓力就是一種熵力:一團氣體佔據的空間越小,它的熵就小,佔據的空間越大,它的熵就大。於是,這團氣體就趨向於不斷膨脹,去佔據更大的空間,表現出來就是對外界的氣體壓力。

再比如,當我們拉長一根橡皮筋的時候,會感受到橡皮筋有往回縮的彈力,而這種彈力也是一種熵力。因為在鬆弛的狀態下,橡皮筋中的橡膠高分子鍊是雜亂無章地扭曲在一起的,當我們拉長橡皮筋的時候,就是在給橡皮筋一個外界的力量,使得橡膠高分子鏈整齊地排列起來了,更有秩序了。由於橡皮筋有趨向於恢復到雜亂無章狀態的熵增的趨勢,它就試圖縮回去,表現出來就是我們手感覺到的彈力,它對抗著我們手的拉力。

引力的真相在果殼裡

弗林德認為,引力的本質和氣體壓力、橡皮筋的彈力一樣,並不是物體與物體的相互作用,也不是空間彎曲的現象,而是熵力的一種,是熵增大的趨勢表現出來的一種現象,這才是引力的本質!

1534837594-1861-15345653650643e6d9491ea那麼,對於兩個物體之間神秘的引力,如何用熵力來重新解釋呢?

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。於是,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,其它物體也一樣,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,熵力是和質量有關係的,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。

1534837593-1607-153456536526024a85f851b同樣,愛因斯坦的引力方程也可以用熵力推導出來。弗林德並沒有宣布廣義相對論和萬有引力定律是錯誤的,他只是把這兩個理論當作了兩種現象,而現象背後的真正主宰——熱力學第二定律才是物理世界的本質,也是引力的本質。宇宙中並沒有引力這個東西。

其實按照弗林德的理論,不僅引力不再是一種實實在在的基本力,像我們中學課本上出現的慣性、質量這些概念,也都不再是物體的本質屬性了,它們都是一些宏觀的現象,而製造這些現象的大導演,就是熵力。不僅引力是一種現象,連空間彎曲也是一種現象,而驅動宇宙運轉的本源可能是熱力學第二定律和熵力。

世界就像是堅果,被果殼層層包裹了起來,引力、質量、慣性都被隱藏在果殼之中,科學家正在剝開一層又一層的表面現象,逐漸接近了果殼裡的真相。

水星的近日點問題:

水星繞日運動的橢圓軌道是緩慢變動的,水星距離太陽最近的點——近日點,也在隨之轉動。實際觀測發現,同根據萬有引力定律算得的理論位置相比,水星近日點的實際位置每100年多轉動了0.63度的角度。牛頓的萬有引力定律無法解釋這個現象。

改變 要在不得不改變之前去做

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