重力会说话

电影《星际大战》中的欧比王讲过一句可能是电影史上最经典的台词，形容原力是“由所有生物创造的能量场，它环绕在我们周围，渗透进我们体内，而且凝聚了整个星系。”这句话很快就在流行文化中流传开来，因为大家发现欧比王说的一定是万用胶带！毕竟万用胶带也有光亮面和黑暗面，还可以把东西捆在一起……

但是身为宇宙的一分子，头脑机灵的你可能会对欧比王的这番话感到好奇，进而提出疑问：“到底是什么让星系凝聚在一起？”事实证明，宇宙结构中确实有一股无所不在的力量，而这股力量的存在，也代表了宇宙的结构本身，我们称之为“重力”。

许多人都听过自然界存在四种基本力的概念，这四种基本力分别是：重力、电磁力、弱核力以及色力（我们在实验中侦测到的从原子核中“渗漏”出来的微弱色力，就是强核力）。那为什么原力指的是重力，而不是其他的力？

一种力若要填满宇宙，必须是长程力──毕竟宇宙可是个很大的空间。弱核力和色力是短程力，这两种力可以在极小的距离下产生非常强烈的作用。电磁力虽然是长程力，但它作用于存在带电粒子的情况下。原则上，宇宙是呈现电中性的———相反的电荷会互相吸引，很快就会达到中和，相互抵消，也就不会剩下自由电荷。重力同样是长程力，但它的“电荷”只有一种，我们称之为“质量”。质量不会是负的，所以没有什么能阻挡或是抵消重力，而且重力能作用于非常广阔的距离。

如果说有什么力产生的作用能够扩及整个宇宙，那就非重力莫属了，虽然重力微弱得不得了。哦哦哦，我看到你的脸上现在写满了怀疑！我前一秒才说重力可以凝聚整个星系，下一秒又说它微弱得不得了，到底是想怎样？

我要说的是，重力和自然界中其他的力相比很弱。关于这一点，你在自家厨房就可以轻轻松松地做实验证明。请把一颗苹果拿起来看看，是什么维系着苹果的结构？让苹果结构得以维系的，大部分是存在于分子之间的分子间力，而这种力属于自然界中的电磁力。现在，请你试试看徒手将苹果分成两半。不太容易，对吧？

现在请站起来，然后往上跳，你能跳多高？就算跳不了多高也没关系，请想想：你是可以暂时克服重力的。这只需要一点点化学能量就能做到了，即使是你中午啃的那些生菜（或是那颗苹果），也足够让你克服整个地球的引力！所以，重力是很微弱的，而你强壮得很。

这些一本正经的论证，都是在阐述大自然的基本性质。虽然是很有趣的问题，不过你可能抓破头也还是想不明白，了解这种知识到底有什么用？第一个广为人知的重力定律，就是艾萨克·牛顿在1687年提出的牛顿重力学说。这个学说几乎是立刻就被科学家用来解释天体的运动，但基本上，世人照常度日，浑然不觉这是多么惊人的成就。直到270年后，牛顿重力学说才终于实际应用在人类建造或使用的事物上：1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星，这需要深入研究轨道动力学才能实现，而轨道动力学就是从牛顿重力学说中衍生而来。

阿尔伯特·爱因斯坦在1915年写出了现代物理学描述重力的理论，也就是广义相对论，情况亦十分类似。当时，广义相对论马上就被应用于天体物理学，但直到20世纪晚期，才真正开始对广义相对论的实际应用。就让我来讲几个故事，告诉你重力或者广义相对论是如何改变我们世界的。

首先是“GRACE”。现在社会大众所关注的，多半是关于地球气候变迁的争议和讨论，但大多数科学家仍然进行着他们最擅长的事情———埋首工作、收集数据，然后找出数据所代表的涵义。对于气候研究来说，地球的水文循环别具意义。水和地球上同等质量的其他物质相较，在热力学上扮演的角色更为重要，因为水可以极为有效地冷却或加热。水的移动，不论是在地表、海洋、云层、河川，还是在大气层中，都对全球气候有巨大的影响。但是水圈的范围毕竟太大了，如果要监测地球的水位，还有全球湖泊、河川和海洋中的水流，我们不可能通过到处装设传感器来完成。所以，我们要如何了解地球上的水，还有水的移动与变化呢？答案就是：靠重力。

卫星大地测量可以精准地测量地球的重力场。当卫星在地球上空飞行时，卫星下方的质量变化会使得重力的强度改变，进而使得卫星轨道改变。我们观察轨道就可以了解重力以及制造出重力的质量是如何改变的。在2002年，美国航空航天局启动了一个名为“重力回溯与气候实验”的任务，内容是让两个相距大约220千米飞行的卫星通过微波信号监测彼此的轨道。“重力回溯与气候实验”在5年多中持续监测地球的重力场，并且观察重力场如何随着地球上的水和冰层的移动而变化。比如，亚马孙盆地的重力会随着雨季的来临和结束而增减。其他类似的观察结果也说明地球上的冰层正在发生变化，尤其是在北极圈和南极圈。

第二个故事是GPS。重力在你的日常生活中最普遍的应用方式，或许就是GPS了。在GPS转而运用于飞机和车辆的导航之后，接着又出现内建GPS的智能型手机，从此掀起一股定位服务的热潮。通过定位服务，你可以找寻朋友、当地的餐厅和书店，也能在陌生城市里找到演唱会的会场。

基本上，GPS是通过三角测量运作的。卫星会送出定时信号，由你的智能型手机或是GPS导航装置接收。卫星每次发送的信号都会与其他卫星的信号同步，也就是说，如果你和两颗卫星之间的距离相等且固定，你会接收到两边发出的相同定时信号。就像使用耳机一样，左右两边的声音是同步的，所以你的双耳会同时听到歌曲中正确对应的部分。如果你比较靠近某颗卫星，那么你从这颗卫星接收到定时信号的时间会比其他较远的卫星更早（就像是在运动场上看田径比赛，赛跑选手会比你先听到起跑枪响，因为他们的位置比较接近发令枪）。导航装置会将你的当地时间跟从卫星接收到的时间做比较，借此判断你和各个卫星之间的距离。由于已经掌握各个卫星的位置，导航装置就可以计算出你的位置了。

卫星定时信号必须经过修正，其运用的就是广义相对论。为什么呢？因为在地球的重力场中，卫星所在的位置比你高得多，而广义相对论告诉我们，时钟在卫星上行走的速度是不一样的。有多不一样呢？广义相对论对时钟时间的修正，1天内大约是38微秒──也就是百万分之38秒！你可能会想“这差别很小嘛”。没错，差别确实是很小，但是GPS的运作，是根据光在一定时间内所行进的距离。在38微秒内，光行进的距离是11.4千米！当你想找一家寿司店，或是要找你家小孩接下来要比赛的足球场，11千米可是一段漫漫长路！

第三个故事是关于重力波的。这是最后一个故事了，但我要讲的不是重力的实际运用，而是人类利用重力揭开宇宙奥秘的梦想。1918年，爱因斯坦在探索广义相对论的意义时，发现了一种重力辐射的存在。这种带有能量的重力是从星体或星系发出的，朝着遥远的宇宙边际辐射出去。爱因斯坦计算了这种辐射的强度，很快就认定要进行实验测量即便不是完全不可能，也会是极度困难的。

不过快转回画面到现在，我们可以运用的科技已经完全超出爱因斯坦的想象了———我们有精确度极高的高功率激光、可准确定位地球上任何物体的GPS定位系统、每秒能进行几亿个运算作业的高效能计算机，此外还有遍布全球的网络，即使跨海传递信息，也像你对着走廊上的同事大喊一样容易。最重要的是，我们拥有众多的科学家，他们不但经过良好训练，更精通揭开自然奥秘的方法，这就是地球栽培出来的最优秀的人才。综合以上各种利器，我们就有能力将爱因斯坦渴盼的梦想变为现实，测量那股来自宇宙遥远彼端、笼罩地球的微弱重力回波。

对于重力辐射的探讨历时将近1世纪，集大成的是一台壮观宏伟的机器，被称为激光干涉重力波天文台。新一代的天文学者，也就是所谓的重力波天文学家，会以激光照射这台机器长达4000米的双臂，希望借此探测到中子星和黑洞趋向塌缩的螺旋之舞，还有年轻的脉冲星不断自旋直到终于化为宇宙星尘期间发出的低吟。如果够幸运的话，或许还能探测到恒星死亡时产生的激烈的超新星爆炸，在这过程中会产生许多原子，包括组成我们的大部分原子在内。

重力波天文学让我们能以全新的角度，重新探究我们的起源和地球在宇宙中的定位，再一次尽情发挥我们与生俱来的天赋———那无穷无尽、永不餍足的好奇心和求知欲。虽然人类的想象力带来了这样的创举，但是，这真的能有什么实际的成果吗？成果或许并非显而易见，因为进行这项实验的最初动机，并不是为了要有什么实用成果。然而，从曼哈顿计划、“阿波罗”宇宙飞船到激光干涉重力波天文台，这些科学与工程技术的结晶，终究会为人类带来福祉。激光干涉重力波天文台的科技，已经让许多研究有所拓展，比如光学和激光技术、环境监测以及计算机网络联机能力。但是要在你家客厅看到这项科技带来的改变，恐怕还要等上7年、70年，甚至是270年。

重力的科学发展向来如此，要花多少时间，就看我们的工程师和科学家如何突破旧思维，发挥创造力了！