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

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）

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：

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）

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）

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〉）

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）

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！

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。