牛津通识课:引力

《引力 | 01从牛顿到爱因斯坦》
在四大基本作用力——电磁力、强核力、弱核力与引力之中，引力是*弱的一个。但是，它主导了长距离下物体的相互作用。引力是仅有的只吸引不排斥的力，而且它不可能被屏蔽。因此大部分的大型物体呈电中性，但不可能呈“引力中性”。有质量的物体之间的引力从来都是使它们彼此靠近的，并且越靠近引力越强。
幸而有牛顿（Newton）和爱因斯坦（Einstein）这样的天才，我们才能对引力有所了解。但和其他力比起来，引力给科学家们提出了更多艰深的谜题。要想知道为什么会这样，我们就要从头说起，先来了解一下历史上引力理论是如何发展的。
引力的“上古史”
假设人类从一开始就知道（我们说是假设，但这几乎是可以确定的），当我们把手里拿着的东西松开的时候，它总是会往下落。这样一来，就可以说人类一直都知晓引力的存在。而这种现象发生的原因，正是很多早期思想家关注的焦点。
亚里士多德（Aristotle）[ 他的著作《物理学》（Physics ）17世纪之前就在欧洲科学界发挥着举足轻重的作用] 把引力解释为物体朝向它们“在宇宙中正确的位置”移动的趋势。他认为这一正确的位置取决于物质的组成成分，准确地说就是取决于物质中四大元素——土、水、空气和火——各自所占的比例。
亚里士多德提出，主要由土和水构成的物质应当朝着宇宙中心运动。对他来说，地球就是宇宙中心。因此当我们把由土构成的物体扔出去时，它就会落向地面。至于水，他认为由于土会沉入水底，所以水比土要轻，因此所有的水都存在于土的表面。同样，由于泡泡浮在水上，故空气比水轻，那么空气的正确位置在水上方，火则在空气上方。
基于当时人们对物质的构成元素的理解，这一体系从逻辑上给眼前的世界划分了层次。利用它，人们甚至可以描述物体下落时的加速度。亚里士多德提出：物体下落的加速度和它们的质量成正比，和它们下落时穿过的介质的密度成反比。也就是说，亚里士多德认为两千克的物质下落时加速度是一千克物质的两倍。
很遗憾，亚里士多德的理论并不正确。我们知道宇宙并不存在一个中心，好让物体落向那里。我们还可以通过实验证明物体在引力作用下的加速度并不与它们的质量成正比，而是无论物体质量如何都保持不变。这一发现是理解引力过程中的里程碑之一，因此我们也需要对它作更多说明。
所有物体在引力作用下的加速度都相等，这一事实并不直观。当我左手拿着一片羽毛，右手拿着铁块并同时松手，我不会期待它们同时着地：铁块应该先落地。那么“所有物体在引力作用下的加速度都相等”是什么意思呢？为了理解这句话，我们需要考虑施加在这两个物体上的所有力。
当我松开羽毛时，除了引力之外，它还受到其他的力。当开始下落时，它会受到周围空气产生的阻力。由于铁更重，空气阻力对羽毛的减速作用就比铁要强。一点小风对羽毛就会有很大的影响，而对铁块的干扰微乎其微。因此，上述理论并不适用于我们周围的环境。实际上，它描述的是物体在只受引力作用的情况下会发生什么。也就是说，如果除了引力外没有其他任何作用力，物体就会以相同的加速度下落。
对这一命题的验证通常归功于伽利略（Galileo）。传说1638年，他将两个不同质量的炮弹从比萨斜塔上扔下，人们发现，无论这两个炮弹成分如何，它们都以相同的速度落地。*近，阿波罗宇航员大卫·斯科特（David Scott）得出相同的结论。他站在月亮上，让一片羽毛和一把锤子同时落下。（见图1）因为月亮上没有空气阻碍羽毛的运动，所以两个物体同时落在了月面上。今天，我们把这一现象称为“自由落体的普遍性”（universality of free fall）。接下来，我们将看到，它既是牛顿引力理论，又是爱因斯坦引力理论的关键。