引力仅是如此简单的定律吗?关于它的机制是什么?我们所做是在描述地球如何围绕太阳运动,但是并没有说是什么让它为之。牛顿没有提出与它相关的假说;他满足于它做了什么,而没有深究它的机制。没有人能够给出。它是物理定律的特性,它们拥有这个抽象的特征。能量守恒定律是一种关于数值型的理论,它需要被计算出来,然后添加在一起,其中并未提及机制,与此同时,关于力学的伟大的定律是数值型的数学定律,其间没有任何机制是有效的。为什么我们可以使用数学描绘自然,而缺少蕴含其中的机制呢?没有人知道。我们需要继续向前,因为我们会发现的更多。

许多关于引力的机制被提出来。其中有一个蛮有趣的,人们有时候会想到它。起初,当它被发现时,经历者非常兴奋和激动,但是很快他发现并不正确。大概在 1750 年,它首次被发现。如果有很多粒子以很高的速率沿着所有的方向在太空中移动,它仅仅会在穿越物质时被少量地吸收。当它们被吸收时,它们给地球施加了一个冲量。然而,由于它们有各种各样的方向,所有的冲量平衡了。但是当太阳在附近时,穿越太阳朝向地球的粒子有一部分被吸收了,所以来自太阳的粒子相较于来自其他方面的更少。因此,地球会感受到一个朝向太阳的净冲量,并不需要花费很长时间就能留意到它与距离的平方成反比——因为由太阳构成的立体角会随着我们距离的不同而发生改变。这个机制错在了哪里?它包含了一些不正确的新的结果。这个点子有下列的问题:地球,围绕着太阳运动,它会在其前方较于它的后方遭遇更多的粒子(当你在雨中奔跑,迎面而来的雨滴的强度会大于你脑门儿后面的!)。因此会有更多来自前方的冲量施加在地球上,地球会感受到运动方向的阻力,它会在其轨道上减速。我们可以计算出在这个阻力的作用下,让地球停止需要花费多长的时间,这不足以让其继续待在轨道上,所以这条机制失灵了。没有任何机制可以被发明出来去“解释”引力也无法预测的一些不存在的其他现象。

接下来我们会讨论有可能与引力相关的其他力。目前没有任何有关于其他作用力的引力解释。它跟电不相关的,所以我们无法作出解释。然而,引力和其他作用力是很相近的,它们的类比很有意思。举个例子,在两个带电物体之间的电的作用力看起来蛮像引力定律:电的作用力是一个常数,带一个负号,乘以电荷的乘积,而且它与距离的平方成反比。它是在相反的方向——类似于互斥力。但是它依然不是很明显,两个定律是否包含相同的距离函数?也许引力和电要比我们想的更加地紧密。许多的尝试想要去统一它们;有一个被称之为统一场论,它试图用非常优雅的方式去融合引力和电,但是,通过比较引力和电,最有趣的部分还是作用力的相对强度。任何包含它们两个的理论都需要推导出引力的大小。

在两个电子之间的电和引力的交互作用的相对强度

如果我们采用一些自然单元,由电导致的两个电子(自然的电荷)的互斥作用与由它们的质量引发的吸引作用,我们可以测量电的互斥作用较于引力的吸引作用的比值。这个占比独立于距离,它是一个自然的基础常数。占比如 Fig.7-14 所示。在两个电子之间,引力的吸引作用相对于电的互斥作用的比值是 1 除以 $4.17\times{10^{42}}$ !问题是,这么大的数字来自于哪里?这并不是意外,有点像跳蚤的体积与地球的比值。我们考虑了同一种事物(一个电子)的两个自然特征。这个很大的数字是一个自然常数,所以在自然中蕴含了某种更具深度的东西。如此巨大的数字来自哪里?有些人会说总有一天我们会发现一个“通用方程”,其中之一的根就是这个数字。但是,要发现一个巨大的数字是 natrue root 的方程是非常困难的。其他的可能性也被想到:有一个是把它关联到宇宙的年龄。说明白点儿,我们需要在某处找到另一个大的数字。但是,我们会用“年”表示宇宙的年龄吗?不,因为年并不“自然”;它们是由人类发明的。举一个自然的例子,让我们考虑光线穿过一个质子的时间, $10^{-24}$ 秒。如果我们把这个时间与宇宙的年龄( $2\times{10^{10}}$ 年)进行比较,答案是 $10^{-42}$。它基本上有着相同数量的零,所以它表明了引力常数与宇宙的年龄有关。如果真的是这样,引力常数会随着时间改变,因为随着地球变老,宇宙的年龄相较于这个时间(光线穿过一个质子所需的时间)的比值会逐渐增长。引力常数有可能会随着时间发生改变吗?这些变化毫无疑问是非常微小的,我们无法确认。

我们能想到的一个测试是去确定在 $10^9$ 年的时间段内发生了怎样的改变(改变引发了什么效果),这大概是从地球上最早的生命起源到当前,差不多是宇宙年龄的十分之一。在这个时间里,引力常数大概增长了 10 个百分点。它证明如果我们考虑太阳的结构——在它的材质质量与其内部产生的辐射能的比率之间的平衡——我们可以推导出,如果引力增强了 10% ,那么太阳亮度的增强将远远超过 10%——大约是引力常数的六次方!如果当引力发生改变时我们去计算地球的轨道发生了什么,我们会发现地球变的更近了。总结下来,地球大概会热 100 摄氏度,所有的水不会存在于海洋里,而是蒸发在空气中,所以生命不会在海洋里诞生。因此我们现在不会相信引力常数会随着地球的年龄发生改变。但是像这种我们刚刚给出的争论不是那么的令人信服,而且该项目并没有完整地关闭。

实际上,引力的作用大小与质量成正比,该数值是一个有关惯性的基础的测量——它是如何维系着某个事物做环形运动。因此拿出两个物体,一个重的,一个轻的,由于引力的作用它们会沿着相同的环线以相同的速率围绕一个更大的物体做运动,它们会待在一起是因为想要做环形的话,更大质量的物体需要一个更强的力。那就是,对于给定的质量,引力会同比增强,所以这两个物体一起环绕。如果一个物体在另外一个的里面,那么它会待在那儿;这是一个完美的平衡。因此,加加林或者季托夫会发现在太空船内部有一些东西“失重”了,比方说,一块粉笔,他看起来在舱内是悬停的,但实际上它是随着整个宇宙飞船以完全相同的方式绕着地球运动。非常有趣的是,这个力与质量成正比,带着极高的精度,如果它不成正比,那势必会出现由惯性和重量的差异导致的某些效果。而实际上这些效果并不存在,该实验的校验是由厄特沃什在 1909 年首次完成的,更近的一次是由迪克做的。对于所有尝试的物质,质量和重量是成正比的,维系在 1,000,000,000 之一以内,或更少。这是一个了不起的实验。