重力到底是什麼？物理學還沒解開的一道題

現象是什麼

重力，是任何有質量的東西對其他有質量的東西施加的拉力，也是光經過像太陽這麼重的天體時路徑會彎曲的原因。物理學對重力的運作方式，有兩套各自都經過反覆檢驗的描述：一套是牛頓 1687 年提出的，另一套是愛因斯坦 1915 年提出的。兩套理論做出的預測都被檢驗、證實過，從蘋果落地到黑洞相撞，都適用。

物理學還沒有的，是一套在所有尺度下都成立、完整解釋「重力究竟是什麼」的理論。牛頓和愛因斯坦的理論，都能極其精確地描述重力的效應，但兩者描述的方式並不相容，而且從來沒有人把其中任何一套，和研究極微小尺度的量子力學，結合成一套真正可用的理論。

流行的說法

一般人常以為，愛因斯坦證明了牛頓是錯的，就像後來的發現把舊理論一夜淘汰。牛頓 1687 年的重力定律因此常被當成歷史，好像已經被取代、不再有人用。

物理學家實際上並不是這樣看待它的。NASA 自己的教學資料指出，這條定律「支配著行星的軌道運動，指引太空船飛向目的地，也讓我們的雙腳穩穩踩在地面上」——它至今仍是第一個被拿出來用的工具，因為在日常、重力較弱的條件下，愛因斯坦的方程式本來就會化簡回牛頓的形式。

牛頓定律：質量之間的拉力

牛頓在《自然哲學的數學原理》裡提出這條定律，這本書在 1687 年夏天印製完成：每個物質粒子都會吸引其他每個粒子，力的大小隨兩者質量增加而變大，隨距離的平方增加而變小。NASA 的教材說，牛頓看出「一顆從樹上掉下來的蘋果、繞著地球轉的月球，以及繞著太陽轉的行星」，遵守的其實是同一條規則。

這條定律精確到今天仍然用來導引太空船。它解釋不了的，是質量一開始為什麼會互相吸引，也解釋不了在極高速度或極強重力場底下重力會發生什麼事——這個缺口，正是兩百多年後愛因斯坦的理論想要補上的。

愛因斯坦的廣義相對論，怎麼被驗證的

1915 年，愛因斯坦提出：質量和能量會讓空間和時間彎曲，而我們感受到的重力，其實就是物體沿著這個彎曲幾何裡最直的路徑前進。水星是離太陽最近的行星，感受到的太陽重力也最強，NASA 指出，這讓水星的軌道出現「一種擺動」，單靠牛頓定律沒辦法完全解釋，廣義相對論做到了。

最有名的一次驗證，發生在 1919 年 5 月 29 日。兩支觀測隊，一支由格林威治皇家天文台的 Crommelin 博士帶領，另一支由劍橋大學的愛丁頓教授（Arthur Eddington）帶領，在一次日全食期間，拍下畢宿星團裡的星光經過太陽附近時的樣子。愛因斯坦的理論預測，太陽重力讓星光偏折的幅度，會是牛頓理論預測值的兩倍；NASA 對這次實驗的記錄證實，它「驗證了太陽的重力會讓光線彎曲」，星星在天空中的位置，正好偏移了廣義相對論所預測的量。

廣義相對論也不只是歷史：它每天都在現代科技裡持續運作。GPS 衛星上的時鐘，所在的重力比地面弱，相對論效應會讓它們走得比較快；NASA 指出，如果不修正，每天的偏差只有「百萬分之幾秒」，但如果完全不修正，GPS「根本無法運作」，會把人「指引到幾英里外的錯誤地方」。

重力波和 2017 年諾貝爾獎

愛因斯坦的方程式還預測，像兩個黑洞互相盤旋、最終合併這種劇烈事件，會在時空裡激起漣漪，但整整一個世紀沒有人直接偵測到。這個狀況在 2015 年 9 月 14 日美東時間清晨 5 點 51 分改變了：位於路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的雷射干涉重力波天文台（LIGO）雙子偵測器，同時接收到一個訊號，據麻省理工學院新聞報導，來自兩個各約 30 倍太陽質量的黑洞，在大約 13 億光年外合併。

這項發現一直到 2016 年 2 月 11 日，將近五個月後，才對外公布。NASA 噴射推進實驗室指出，這次碰撞在短短一瞬間釋放的能量，超過可觀測宇宙裡所有恆星發光加起來的 50 倍。麻省理工學院新聞稱這是愛因斯坦理論「從來沒有被檢驗過的一種狀態」——重力場強到「牛頓的重力理論完全不管用」。

2017 年諾貝爾物理學獎，頒給了這項發現的三位主要推手：麻省理工學院的 Rainer Weiss（魏斯），以及加州理工學院的 Barry Barish（巴里什）與 Kip Thorne（基普·索恩），美國物理學會的說法是，表彰他們「對 LIGO 偵測器和重力波觀測的決定性貢獻」。另一位關鍵人物，加州理工學院的 Ronald Drever，已在 2017 年 3 月過世，按諾貝爾獎不追授已故者的規定，沒能被列入得獎名單。

還在爭論的部分

到目前為止的每一次檢驗——水星的軌道、1919 年的日食、GPS、重力波——都在行星、恆星和黑洞的尺度上，證實了廣義相對論。真正還沒解開的問題，出現在尺度光譜的另一端：物理學對個別粒子這種量子力學管轄的範圍，還沒有一套可用的重力理論。

這兩套架構在根本層次上互相矛盾：量子力學把時間當成普遍、絕對的東西；廣義相對論把時間當成相對的，編織進會彎曲伸展的四維時空。《量子雜誌》把這個難題稱為「時間問題」，統一兩套理論，得先化解這兩種矛盾的時間觀。研究「全像原理」的物理學家 Brian Swingle 也坦白告訴該雜誌：「我們目前還沒有一個好的想法，能理解時間是怎麼『冒出來』的。」

至今沒有實驗真正探測過量子尺度下的重力，也沒有任何量子重力理論通過檢驗。問題保持開放，不是因為資料上有分歧——那個尺度上基本上還沒有資料——而是缺少一個能在各種競爭想法之間做出裁決的實驗。

結論

重力是大尺度物理裡驗證得最徹底的東西，也是最小尺度上最懸而未決的問題。牛頓 1687 年的定律和愛因斯坦 1915 年的廣義相對論，都完全照著預測運作，從蘋果落地到 GPS 衛星，再到 2015 年 LIGO 偵測到的黑洞碰撞，無一例外。真假檔案把這一份歸檔為「未結案」，因為標題裡問的那個問題——重力到底是什麼，而且這個答案還得同時和量子力學相容——目前都還沒有公認的答案。