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基礎交互作用與原力(第三部曲):反重力全面進攻——阿宅物理(6)

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為找出原力的祕密,我們發現了作為基礎交互作用的電磁力、弱力和強力。然而,在這過程之中,卻有股神秘的力量,尚未顯露其真面目。它的無遠弗屆與威力,遍及宇宙的每個角落……

星際大戰開頭必備的跑馬燈

星際大戰開頭必備的跑馬燈

在科幻文本和動漫、電玩裡,重力一直是屢見不鮮的題材。古早以前,人類就已夢想能夠騰雲駕霧[2]、或者擁有翅膀[3]飛上青天;飛機發明後,我們更進一步希望能對抗引力、脫離地球——於是我們有了火箭和太空船。不過,飛機與火箭的原理,均是藉由產生新的推力,來抵銷地心引力的束縛;也因此,希冀從根本阻絕重力、甚或創造出反重力的嘗試,在歷史上一直方興未艾。更何況,就算不考慮重要性,反重力三個字聽起來就是酷呀!!在漫畫〈哆啦A夢〉(舊譯:小叮噹)裡,哆啦A夢便是因著腳底的反重力裝置而懸浮在三釐米的空中,以至於腳底不會被弄髒

漫畫裡,針對哆啦A夢腳底反重力機能的說明(圖片來源)

漫畫裡,針對哆啦A夢腳底反重力機能的說明(圖片來源

理所當然,要討論反重力如何可能做到之前,我們得先了解什麼是重力;而最簡單的方法,當然就是上批踢踢[4]八卦板post標題為「有沒有動漫裡能操縱重力的角色都很強的八卦?」的文章。除此之外,我們還可以從國中課本回想起牛頓(Isaac Newton)萬有引力定律:

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上述方程式說的是,兩個物體之間的(吸)引力正比於兩者質量(分別為m1和m2)的乘積、而反比於之間距離(r)的平方。G則為比例常數,俗稱萬有引力常數。

然而,這個曾經在考試中試煉我們的著名公式,卻存在問題:現今的科學已經知道,光線的路徑會因重力而彎曲;更有甚者,黑洞作為宇宙中最神秘的天體,其所產生的重力連光都可以捕獲。但是,光,它根本沒有質量!根據牛頓的公式,光怎麼可能會受到重力吸引呢?[5]

好在我們有愛因斯坦(Albert Einstein)。

約莫百年前,愛因斯坦的廣義相對論橫空出世,為重力帶來了全新的觀點:就像放在彈簧床上的鉛球會讓床面下陷一樣,愛因斯坦認為,帶質量的物體也會對時空產生影響、造成時空的扭曲;而附近的另一物體,就會因為明顯感受到時空的凹陷,而被吸引過去——這就是廣義相對論對重力的簡單詮釋。光在時空中行進,就像走在地面上的汽車,難免會受到路面的坑洞或斜坡影響而產生路徑的變化。[6]

太陽周圍變形的方格代表因太陽而凹陷的時空。由A發出的光線感受到時空的扭曲而改變路徑,使得我們看到A存在B處,此亦稱為重力透鏡效應(圖片來源)

太陽周圍變形的方格代表因太陽而凹陷的時空。由A發出的光線感受到時空的扭曲而改變路徑,使得我們看到A存在B處,此亦稱為重力透鏡效應(圖片來源

更進一步地,讓我們回想自身的經驗:當搭乘電梯,而電梯開始往上升的時候,冥冥中似乎有股力量把你往下拉、身體彷彿變重了(幸好不是在游泳)。換言之,電梯上升的加速度,會讓我們覺得像是多了一股向下的重力——加速度可以產生類似重力的功效。這件事情,其實正是愛因斯坦所提出的等效原理(equivalence principle):在小範圍底下,位於重力場內的觀測者所感受到的物理效應,跟其處於均勻加速運動的無重力環境所看到的物理效應,沒什麼兩樣。[7]

明白等效原理後,讓我們回想以前學過的自由落體問題:兩個不同質量的物體,在不考慮空氣阻力的狀況下,何者比較快落地?等效原理告訴我們,不論你是在地球的比薩斜塔、還是在宇宙中由下往上加速行進的太空船裡,實驗的結論都是一樣的。然而,有別於在地球上還得靠伽利略(Galileo Galilei)證明物體掉落的快慢和質量無關;太空船內的結果倒是非常容易想像:當我們把手放開,二者會同時掉落到地面——因為其實是太空船的地板往上衝、撞到懸空的兩個物體。

我們無法分辨在地球上、或在加速行進的太空船中,有什麼不同(圖片來源)

我們無法分辨在地球上、或在加速行進的太空船中,有什麼不同(圖片來源

得到等效原理這神兵利器,反重力的謎題就再也難不倒我們了:有沒有可能,存在某種反重力物質,其不但不會被地心引力吸引,還會被地球的重力排斥而往天空「掉落」?

不可能!當我們根據等效原理而把環境挪到加速飛行的太空船中,很顯然地,所有懸空的東西都會被往上衝的地板撞到、絕不會離地板愈來愈遠(除非我們施加外力)。

同樣地,有沒有可能,存在某種隔絕重力的物質,使得放於其上的物體,感受不到重力吸引?例如,電影〈顛倒世界(Upside Down)〉裡,就發現了消除重力作用的物質。

我以我爺爺的名譽發誓[8],答案仍然是否定的。除非太空船停止加速,否則懸空的物體保證都會被地板撞上;意味著,地球上的物體永遠會受到重力作用而向下掉落[9]——除非某一天,我們對重力有了更深層的理解,像〈星際效應(Interstellar)〉那般發現了量子重力[10]的祕密,事情或許才有轉圜的餘地。

不過,除了反重力,人工重力也是科幻文本常見的題材。許多電影裡,包括星際爭霸戰(Star Trek)和星際大戰(Star Wars),太空船上的人們可是走來走去、跟在地表上沒兩樣。這可能嗎?

星艦的人工重力讓船員能夠活動自如(圖片來自〈闇黑無界:星際爭霸戰〉)

星艦的人工重力讓船員能夠活動自如(圖片來自〈闇黑無界:星際爭霸戰〉)

以目前科學的認知,因為重力是由質量而來;除非我們能夠創造如星球般龐大的質量(像是「現本土決戰用特別攻擊最終質量兵器」[11]),否則並無法在根本意義上產生足夠日常生活使用的重力。

等一下!等效原理這下子跳出來了:只要太空船一直保持加速,就可以有類似重力的效果!但這仍然有個實際的問題——太空船很快就會達到設計的最高速率,無法一直加速下去。

一般而言,現今最可行的方案,會是將太空船做成圓筒形或環形,利用旋轉時的離心力將人「固定」住(就像家裡的洗衣機進行脫水時,裡面的衣服都會貼在滾筒上)。於是,我們可以看到〈星際效應〉裡,主角前往土星的太空船就是做成環狀,並利用旋轉來製造重力(還提到了可能會頭暈);同時,電影結尾的庫柏太空站(Cooper Station)可能也是因此才做成圓筒狀,房子則依著圓筒的內壁建造。[12]

〈星際效應〉裡的環狀太空船永續號(Endurance)利用旋轉造出人工重力(圖片來源)

〈星際效應〉裡的環狀太空船永續號(Endurance)利用旋轉造出人工重力(圖片來源

不過,即使我們可以利用離心力模擬重力的效果,但〈星際爭霸戰〉或〈星際大戰〉裡的太空船怎麼樣都不像是在旋轉;又例如,漫畫〈七龍珠〉裡的重力室根本就在地面上固定不動,那如何能製造重力呢?只能說,依目前的科學知識,那是不可能的任務,就算找湯姆.克魯斯(Tom Cruise)[13]來也一樣。換言之,他們果然擁有超越目前地球人的科技力呀!

於前兩話,我們提過電磁力、弱力和強力都分別有相應的粒子負責傳遞。與上述類似,物理學家也假設重力乃由重力子(graviton)傳遞。然而,重力子目前尚未被觀測到[14];量子重力理論亦仍在發展當中,距離理論完備還有很長一段路要走。重力,雖然充斥於生活之中,現今對其所知卻是相當有限。

至此,對已知的基礎交互作用,我們均有了大概的理解。在下一話,如史詩般壯大的探尋原力之旅,即將邁入最終章!錯過可惜!敬請密切注意!

continue

參考資料:

  • 1. 徐一鴻(A. Zee) (2006) 膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具

註釋:

  • [1] 請參考電影〈星際大戰(Star Wars)〉。該系列電影開頭總會有“A long time ago in a galaxy far, far away….”的跑馬燈字幕。
  • [2] 最著名的如〈西遊記〉或〈封神演義〉均有相關情節。
  • [3] 例如希臘神話伊卡洛斯(Icarus)的故事。
  • [4] 批踢踢(PTT)是台灣最知名的電子佈告欄系統(BBS)。
  • [5] 就牛頓的年代來說,其實對光的性質並不完全清楚、也沒有黑洞的想像。這邊我們偷吃步,把大家現今熟悉的概念拿出來說了——但牛頓是無辜的。
  • [6] 在歷史上,其實是愛因斯坦先提出廣義相對論、並預測了光線的路徑會因重力而彎曲,實驗才觀測到此一現象。
  • [7] 此亦稱為弱等效原理。另有所謂強等效原理,這邊便不做介紹。
  • [8] 請參見漫畫〈金田一少年之事件簿〉。
  • [9] 事實上,前面提及的光會因重力而偏折的現象,亦可用等效原理說明。大家不妨自行思考看看。
  • [10] 將量子力學與重力相結合的理論。
  • [11] 請參考動畫〈勇往直前2(トップをねらえ2!)〉。
  • [12] 有興趣進一步了解的讀者,不妨參考火星軍情局的好文。
  • [13] 好萊塢男星。主演〈不可能的任務〉系列電影。
  • [14] 大家或許有印象,於今年(2016)年初國外的LIGO團隊宣佈觀測到重力波。嚴格來說,重力波和重力子是不同的概念,亦無法混為一談。

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關於作者

科學大抖宅

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」

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