【牛津通識課．宇宙篇】重力：擾動時空的主宰者

第一章 從牛頓到愛因斯坦（摘錄）

存在於自然界中四種基本的力，目前最弱的是重力，其他三種是電磁力、強核力、弱核力。然而，就長遠的距離來說，重力才是主宰。這是因為唯有重力能夠吸引，也因為重力永遠無法被遮蔽，所以雖然多數的大型物體是電中性，卻永遠不會是重力中性。具有質量的物體之間的重力永遠會將物體拉在一起，而且質量越大重力越大。

感謝像牛頓（Newton）和愛因斯坦（Einstein）那樣的天才，讓我們對重力多少有些瞭解，但是相較於其他力，重力仍持續讓當代科學家感到神祕難解。想知道為什麼會這樣，就讓我們從頭說起，看看重力理論的歷史發展。

重力史前史

假設人類一直知道（雖說是假設，但這幾乎是可以確定的），當我們放開一個物體，它就會往下掉。這麼說來，我們一直意識到重力存在。早期許多思想家的焦點，似乎都放在造成這個運動的原因。

直到十七世紀末前，亞里斯多德（Aristotle）的《物理學》（Physics）在歐洲科學界佔有舉足輕重的地位。他認為物體應該往它們在宇宙中的自然位置移動，並以此解釋重力。他認為這一自然位置取決於該物體的成分。更精確地說，取決於物質中四大元素──土、水、氣、火──各自所占的比例。

亞里斯多德主張，主要由土和水組成的物體應該往宇宙中心移動。對他而言，宇宙中心就在他的腳下。因此，若是往空中丟擲由土做成的物體，必定會往地上移動。他認為土會沉到水底，所以水比土輕，因此所有的水必定在土的上方。同理，因為氣泡在水中會上升，所以氣比水輕，因此氣的自然位置在水之上，而火的自然位置在氣之上。

就當時人們對物質基本成分的瞭解，這個架構提供所觀察的世界某種合乎邏輯的秩序，甚至可以讓人論述物體落下的速度。亞里斯多德主張，物體掉落的速度應與其質量成正比，與穿過的媒介密度成反比。換句話說，亞里斯多德認為兩公斤重的物體落下的速度比一公斤重的快兩倍。

無奈的是，亞里斯多德的理論並不正確。現在我們知道，宇宙並不存在一個讓物體趨向的中心。透過實驗也發現，物體因重力而加速的速率「並不」與其質量成正比。事實上，已經證明所有物體皆以相同速率落下。這個發現是現代理解重力其中一個里程碑，因此需要進一步解釋。

所有物體在重力作用下的加速度相同，這一事實並不直觀。事實上，如果我的左手放開一根羽毛，右手放開一團鐵塊，我不會期待它們同時掉在地上。鐵塊會先著地。所以，「所有物體在重力作用下的加速度相同」是什麼意思？要瞭解這句話，我們必須先瞭解所有作用在這些物體的力。

當我放開羽毛，除了受到重力，它還受到其他力。羽毛開始掉落時，有來自周遭空氣的阻力。阻力延緩羽毛的速度，勝於影響沉重的鐵塊。任何些微的風都會對羽毛產生巨大作用，但對鐵塊的干擾卻是微乎其微。所以，「所有物體在重力作用下的加速度相同」並不適用於我們周圍環境的物體運動，而是在說如果物體僅僅受到重力影響而掉落的情況。換句話說，如果排除其他所有作用，那麼所有物體應該以相同的速率掉落。

對於這個命題的論證通常歸功於伽利略（Galileo）。據說一五九○年，他從比薩斜塔頂端放開不同質量的砲彈，發現無論這兩個砲彈成分為何，它們都以相同的速度掉落。更近期的，而且也許更戲劇性的是，阿波羅號的太空人大衛．史考特（David Scott）也得出相同的結果。史考特站在月球表面，同時放開一根羽毛和一支鐵鎚，由於月球上沒有空氣延緩那根羽毛的運動，所以兩個物體同時落在他的腳邊（如圖1）。今日我們稱這個現象為「自由落體的普遍性」（universality of free fall）。接下來我們將看到，這在牛頓和愛因斯坦的重力理論中，都是重要關鍵。

第一章 從牛頓到愛因斯坦（摘錄）

存在於自然界中四種基本的力，目前最弱的是重力，其他三種是電磁力、強核力、弱核力。然而，就長遠的距離來說，重力才是主宰。這是因為唯有重力能夠吸引，也因為重力永遠無法被遮蔽，所以雖然多數的大型物體是電中性，卻永遠不會是重力中性。具有質量的物體之間的重力永遠會將物體拉在一起，而且質量越大重力越大。

感謝像牛頓（Newton）和愛因斯坦（Einstein）那樣的天才，讓我們對重力多少有些瞭解，但是相較於其他力，重力仍持續讓當代科學家感到神祕難解。想知道為什麼會這樣，就讓我們從頭說...

這是一本關於重力的書。重力讓具有質量的物體互相吸引，重力造成蘋果掉落在地，地球的形成也與重力有關。

自然界中四種基本的力，最為人熟悉的是重力，但重力運作的實際方式卻不怎麼明顯。現實中，我們所指的「重力」現象和時間與空間的本質密不可分。意思就是，現代對重力的瞭解，不只告訴我們天體在宇宙中如何運行，也讓我們知道，組成宇宙結構本身的時間與空間，又是如何表現。

本書目的在於向讀者介紹重力的多種面向。首先是關於重力理論的歷史發展，接著概述當今科學家如何理解重力。然後，我們會探討重力的物理現象對於地球、太陽系、乃至宇宙整體的影響。最後介紹在理論物理學中，幾位先鋒對於重力的近期研究。

我希望透過本書，讓讀者知道什麼是重力，也知道科學家如何藉助對於重力的研究，得到對於時間、空間，以及我們居住的宇宙的本質的精彩結論。

這是一本關於重力的書。重力讓具有質量的物體互相吸引，重力造成蘋果掉落在地，地球的形成也與重力有關。

自然界中四種基本的力，最為人熟悉的是重力，但重力運作的實際方式卻不怎麼明顯。現實中，我們所指的「重力」現象和時間與空間的本質密不可分。意思就是，現代對重力的瞭解，不只告訴我們天體在宇宙中如何運行，也讓我們知道，組成宇宙結構本身的時間與空間，又是如何表現。

本書目的在於向讀者介紹重力的多種面向。首先是關於重力理論的歷史發展，接著概述當今科學家如何理解重力。然後，我們會探討重力的物理現象對於地球、...

引言
第一章：從牛頓到愛因斯坦
第二章：太陽系中的重力
第三章：太陽系外的重力測試
第四章：重力波
第五章：宇宙學
第六章：重力物理學的先端研究
結語
延伸閱讀

引言
第一章：從牛頓到愛因斯坦
第二章：太陽系中的重力
第三章：太陽系外的重力測試
第四章：重力波
第五章：宇宙學
第六章：重力物理學的先端研究
結語
延伸閱讀