升上去的必定会掉下来。但其背后的原因让人类最伟大的头脑苦思冥想了好几个世纪,至今,引力的许多方面仍是个谜。
宇宙中有4种基本作用力:强核力、弱核力、电磁力和引力。在它们中,引力最为明显,但也是最难破解的谜题。
古希腊人认为,引力是元素的特性。亚里士多德描述了土和水具有引力的原因,它们会倾向于朝宇宙的中心(地球)运动,即下落。他认为,由于空气和火较轻,于是它们会朝远离中心的方向运动,即上升。但是这些趋势只存在于不完美的月下世界。在古希腊的世界观中,月亮之上的一切都屈从第五元素——精质,它可以让天体不受干扰地旋转。
要理解亚里士多德的观点,我们需要忘记所有在高中学的物理。引力不是一种力,只是描述土和水的基本性质。就像追逐猫是狗的天性一样,朝向宇宙中心运动也是土和水的“天性”。虽然对引力的认识不断深入,但在2000年的时间里很少有人真正向亚里士多德的理论发起过挑战。
脚踏实地
公元7世纪的印度数学家婆罗摩笈多和公元10世纪的伊斯兰学者阿尔伯鲁尼则认为,引力的机理类似于磁铁,但这都不足以撼动亚里士多德的“霸主”地位。它的第一个危机来自哥白尼和伽利略所引发的对太阳系认识的变革。如果他们是正确的——太阳是宇宙的中心,地球绕太阳转动,亚里士多德的引力理论就会土崩瓦解。基于推理而不是观测和实验,亚里士多德的观点需要把地球置于宇宙的中心。如果太阳取而代之成为中心,所有的重物都会因此飞进太空。
更重要的是,亚里士多德的引力理论会使得重物下落得比光还快。由于包含更多的物质,因此重物会具有更强的趋势朝向宇宙中心运动,因此运动的速度会更快。亚里士多德认为这是事实,但伽利略并不同意这一观点。他提出了一个问题,如果你把两个不同重量的物体用绳子绑在一起会发生什么?根据亚里士多德的观点,较重的物体下降的速度较快,其下落的速度会超过较轻的物体;因为绳子的拉力,较轻的物体会使得较重的物体减速,最终它们整体的下落速度会介于两者之间。然而,作为一个整体,其总重量要超过构成它的任何一个物体,因此也会下落得更快。这两个结论完全相互矛盾。