編者按：力學(xué)研究所林烈研究員參與了中國科學(xué)院21世紀(jì)科普叢書的撰寫工作。該叢書的《我們的宇宙有多大》分冊中發(fā)表了他的科普文章“既平常又神秘的萬有引力”。承蒙林烈研究員的盛意，本刊在此轉(zhuǎn)載，以饗青少年讀者。
林烈
20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家利用“阿波羅”登月飛船放置在月球上的反射鏡，對月地之間的距離進(jìn)行了精確的測量，并開展了相關(guān)的研究。
當(dāng)我們向月球上的反射鏡發(fā)射功率強大的激光束時，這束包含有千萬億顆光子的激光束，最后可能只有幾個光子能返回到地球上的接收裝置，但科學(xué)家憑這幾個光子，就可以計算出月球和地球之間的精確距離。現(xiàn)在，測量精度已達(dá)到了1厘米，科學(xué)家還在進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，希望將精度提高到毫米量級?？茖W(xué)家為什么要耗費如此巨大的財力和人力來研究這一問題呢？
月球是離我們地球最近的天體，測定它的運行參數(shù)對我們來說最方便、也最可靠。如果要想驗證能夠說明天體運行規(guī)律的引力理論，那么月球無疑是一個最佳的研究對象?，F(xiàn)有的事實表明，牛頓的引力理論和實際情況有一點小小的差異，那么，愛因斯坦的廣義相對論呢？
科學(xué)家告訴我們，宇宙中存在四種自然力：萬有引力、電磁力、弱相互作用力及強相互作用力。萬有引力是四種自然力中最為人們所熟知，也是最早給出定量計算方法的一種作用力。在牛頓及愛因斯坦的引力理論早已得到廣泛應(yīng)用的今天，在萬有引力的背后，會不會還隱藏著某些不為人知的秘密？
“天宮一號”里的航天員
2012年6月及2013年6月，我國相繼發(fā)射了“神舟九號”及“神舟十號”太空飛船，并且精確地實現(xiàn)了和“天宮一號”的對接。先后有六名中國航天員在“天宮一號”里工作和生活。當(dāng)他們在“天宮一號”里飄浮，特別是王亞平在天宮一號里所做的各種神奇物理實驗的畫面?zhèn)鞯降孛鏁r，我們都會感到異常驚訝：原來天上的情況和地面上的有如此巨大的差別。那么，為什么會有如此大的不同呢？根據(jù)力學(xué)中的相關(guān)知識可知，一個繞中心作圓周運動的物體，對中心有一個離心力。因此，在離地面340多千米的高空圍繞地球高速飛行的“天宮一號”及“天宮一號”里的航天員和里面的各種物體，會受到一個和地球引力方向相反的離心力，這個離心力正好抵消了地球?qū)λ麄兊囊?，這時的航天員及里面的各種物體都處于一種失重狀態(tài)。沒有了重力的影響，在地面上可以“飛流直下三千尺”的水流，成了一個個晶瑩剔透、在空中飄舞的小水球；沒有了重力的影響，即使體重達(dá)一百多斤的航天員，也可以輕而易舉地在空中飄來飄去。可見，萬有引力對世上一切的影響有多大。

圖1 “神舟九號”待命發(fā)射

圖2 “神舟九號”與“天宮一號”準(zhǔn)備對接

雖然航天員的經(jīng)歷令人向往，但對于日常生活來說，我們并不希望自己也處于這種失重狀態(tài)。我們還是希望地球引力這只無形的“大手”能緊緊地拽著我們，使我們能夠在地面上平安地生活。萬有引力除了能保證人類在地面上安全生活以外，它也維持著宇宙中各種天體的正常運轉(zhuǎn)。

圖3 在“天宮一號”里漂浮的王亞平

圖4 在失重狀態(tài)下生成的水球

但是，萬有引力的巨大作用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些?？梢哉f，如果沒有萬有引力就沒有我們現(xiàn)在所見到的宇宙，就沒有我們現(xiàn)在所居住的地球，天空中就沒有太陽、沒有月亮，也沒有那么多閃閃發(fā)光的星星。
小星星是怎樣被“點燃”的？
在北京奧運村鳥巢體育場的西側(cè)，有一座宏偉的建筑——盤古大觀，它南北走向，全長近700米，南端是高達(dá)192米的寫字樓，樓頂?shù)脑煨退坪跸褚粭l巨龍的龍首，大樓的外墻上有巨大的電子顯示屏，每當(dāng)人們經(jīng)過這里，都要駐足凝望。這座以中國神話傳說中的人物——盤古名字命名的大樓，也是奧運期間最引人注目的建筑物之一。

圖5 神話傳說——盤古開天地

小時候，曾經(jīng)聽大人們講盤古開天辟地的故事，那時對盤古這位英雄既好奇又崇拜。長大后，接受了現(xiàn)代科學(xué)知識的教育，才知道宇宙萬物原來是起源于一次大爆炸。（宇宙大爆炸是上世紀(jì)才逐步建立起來的關(guān)于宇宙起源的一種學(xué)說。）但令人驚訝的是，這兩者之間，還存在著異曲同工之妙：宇宙都是由一個原始的“小不點”膨脹而成。只是在我們的神話傳說中多了一點人情味?？梢哉f，“大爆炸學(xué)說”是盤古開天辟地故事的一個現(xiàn)代科學(xué)版本。這也使我們不得不佩服中華民族先人的聰明才智及豐富的想象能力。
這個科學(xué)版本告訴我們：原始的宇宙只是一個極其微小的“小不點”，其體積還沒有一個原子核大，但它卻具有極高的溫度、極高的密度，其中包含了巨大的能量。大約在137億年前的某一刻，它突然發(fā)生了猛烈的爆炸，其體積也迅速地膨脹，經(jīng)過137億年的時光洗禮后，這個“小不點”就演化為了一個我們眼前所見到的、浩瀚無比的宇宙。

圖6 宇宙大爆炸示意圖

早期的宇宙，溫度非常非常高，其中只有強烈的輻射，還沒有各種基本粒子（基本粒子是指那些組成世間萬物、不可再分割的最小粒子，如夸克、電子、光子等。），更沒有原子和分子。在宇宙誕生后幾分鐘，隨著它體積的快速增大，溫度已下降到10億度左右，此時的宇宙中出現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等粒子。至誕生后的13分鐘，宇宙已基本完成了氫、氦及少量鋰原子核的合成，但由于此時宇宙的溫度仍太高，它還是一團(tuán)熾熱的等離子體，無法形成中性原子。又經(jīng)過數(shù)十萬年的演化，當(dāng)宇宙的溫度下降到幾千度時，在電磁力的作用下，原子核才有可能開始捕獲電子，形成中性原子，如：氫、氦、鋰等。根據(jù)科學(xué)家的估計，現(xiàn)在宇宙中物質(zhì)的成分為：氫元素占74%，氦元素占24%，其余的為2%。

圖7 大爆炸留下的余暉

（上圖是科學(xué)家用WMAP衛(wèi)星獲得的宇宙微波輻射背景圖，現(xiàn)在所探測到的這些微弱的宇宙微波背景信號，就是137億年前宇宙大爆炸留下的余輝。）
也許讀者會問：為什么在大爆炸過程中沒有合成較重的元素呢？在早期的宇宙中，當(dāng)合成了氫、氦、鋰等元素的原子核后，此時，由于宇宙溫度的下降，已沒有條件再合成原子量更大的原子核?，F(xiàn)在宇宙中比鋰重的元素，有一部分是在恒星這座大“熔爐”里，通過核反應(yīng)“煉”成的。但恒星內(nèi)部的合成反應(yīng)也只能到鐵為止，對于比鐵更重的元素，由于聚變反應(yīng)時需要吸收能量，而不是放出能量，因此，他們已無法在恒星這座“熔爐”里生成。那些重元素是在超新星爆發(fā)時的高溫環(huán)境中生成的。（“超新星”是指恒星在坍塌死亡過程中將其外圍的物質(zhì)噴發(fā)出去所形成的新星。）
天空中星星的形成比氫、氦等元素的合成要晚得多。由于所有物質(zhì)之間都存在著萬有引力，這些由氣態(tài)氫和氦組成的原始星云，在引力的作用下，開始三三兩兩地聚集成團(tuán)，并且越來越大，經(jīng)過多少億年的演化以后，他們就逐漸形成了各種星系?，F(xiàn)在已知，在可觀察到的宇宙范圍之內(nèi)，大約有4000億個像銀河系一樣的星系。每個星系中又包含了許許多多的恒星，有些恒星的周圍，還有一些行星圍繞著它旋轉(zhuǎn)。在銀河系中，大約有2000億顆恒星。銀河系的中心區(qū)域如同一個中間厚、邊緣薄的大“鐵餅”，它的外圍還有四條旋臂，我們的太陽系就位于其中的一條旋臂上。這就是我們現(xiàn)在所見到的星空。天文學(xué)家利用哈勃望遠(yuǎn)鏡，已觀測到大爆炸后8億年時所形成的星系。

圖8 銀河系示意圖

每一顆小星星在引力的作用下，會聚集越來越多的氫、氦等元素，它的質(zhì)量也越來越大，當(dāng)然引力也越來越強。在強大引力的壓縮下，星星中心區(qū)的壓力越來越大，溫度也越來越高，當(dāng)達(dá)到1500萬度以上的高溫時，就會觸發(fā)星星中氫元素的熱核反應(yīng)，恰如我們現(xiàn)在所看到的太陽一樣。這樣，星星就被“點燃”了，它就成了一個大火球。此時，即使離我們非常非常遙遠(yuǎn)的星星，我們的肉眼也都能夠看到他們放射出來的光茫。這些星星有大有小，像太陽這樣的恒星只是一顆中等規(guī)模的星星。不過，在這第一批“降生”的星星中，還沒有我們的太陽系，它是第一批星星的“后代”。

圖9 美麗的星空

我們可以看到，在這個演化過程中，引力對物質(zhì)的聚集，星星的“點燃”，都起到了關(guān)鍵性的作用。因此我們可以說，沒有萬有引力，就不會有今天這個美麗的、鑲著滿天星斗的天空。

圖10 漩渦星系

那么，這些星星為什么還會不停地運動呢？我們的地球在圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，整個太陽系及銀河系中所有的星星都在圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)。他們的動力又來自哪里呢？
這些原始的宇宙物質(zhì)在聚集過程中，產(chǎn)生了一個指向中心的巨大引力，但是由于在這個過程中，這些物質(zhì)還會受到其他引力源的影響，這個引力并不能完全指向中心，此時就會產(chǎn)生一個角動量，形成天體圍繞中心的旋轉(zhuǎn)。在日常生活中，我們也可以看到類似的情況，如果河床底部有一個滲流的孔洞，那么，河水在向中心孔洞快速滲流過程中，河水還會發(fā)生強烈的旋轉(zhuǎn)。

圖11 水在流向中心孔洞時形成的旋渦

科學(xué)家認(rèn)為，在銀河系的中心，隱匿著一個巨大的黑洞。（所謂“黑洞”是指一種質(zhì)量非常大、能將光線也吸入其中的天體，它是大質(zhì)量恒星死亡時，由其內(nèi)核塌縮而成的。）由于它的強大引力，才使銀河系家族的所有成員，不離不棄地圍繞著它的中心旋轉(zhuǎn)。因此，星星不斷運動的動力之源主要也是萬有引力。
至此，我們已經(jīng)說到了天空中這些星星的來源，以及他們?yōu)槭裁磿煌５剡\動。當(dāng)然，本文只能粗略地為讀者描繪一個大概的輪廓，實際的情況還要復(fù)雜得多，有些問題，天文學(xué)家至今也還沒有完全搞明白。
愛思索的讀者可能還會問：我們前面講到的宇宙之源是一個高溫、高壓及高密度的“小不點”，那么，這個“小不點”又來自何處呢？關(guān)于這一點，我們只能遺憾地告訴讀者，即使世界上最優(yōu)秀的宇宙學(xué)家，現(xiàn)在也無法給你一個肯定的答復(fù)。
但是，在這里我們可以介紹一個沒有定論的說法：宇宙之源是什么呢？實際上，宇宙來自于“無”，我們的宇宙是屬于“無中生有”。初看起來，這種說法似乎有些荒唐可笑，也太不科學(xué)了。
兩千多年前，我國的思想家老子，在他的《道德經(jīng)》中，提出了這樣一種看法， “道生一，一生二，二生三，三生萬物”。這里的“道”有多種含義，道有時候也可以表示某種虛無、無為、不可言語的東西，它既不是物質(zhì)，也不是精神，而是“無”。老子認(rèn)為：“天下萬物生于有，有生于無”。

？圖12 中國古代思想家老子

難道現(xiàn)在的科學(xué)家也和我們兩千多年前的祖先持類似的看法？如果我們的讀者能深入去學(xué)習(xí)量子理論及相對論，那么你就能悟出“無中生有”這種說法的一些道理。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了萬有引力對宇宙的形成及正常運轉(zhuǎn)所起到的重要作用。而萬有引力的發(fā)現(xiàn)及相關(guān)理論的建立，要歸功于兩位偉大的科學(xué)家–––牛頓和愛因斯坦。有關(guān)他們的故事，將在下文中告訴大家。
（本刊在轉(zhuǎn)載時，對文字略有調(diào)整）