為什麽說引力是最強大的力量？

圖解：指尖上的水滴-引力有多弱呢？隻一滴水中所含有的氫鍵，電磁力最弱的形式之一，都足以強過整個星球產生的引力。（圖源：Christopher S. Baird）

圖解：萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉

實際上，引力是四種基本作用力中最弱的一種。按照由強到弱排列，這些作用力的順序會是這樣：1）強核力2）電磁力3）弱核力4）引力。如果取兩個質子並將它們緊密地靠在一起，它們就會互相施加一些作用力。因為它們都具有質量，所以它們之間會彼此產生引力。因為它們都含有一個部門的正電荷，所以也會對彼此產生電磁排斥。此外，它們都具有內部色荷，因此可以通過強核力來施加吸引作用。因為強核力短距離內最強，它比其他作用力更具主導作用，兩個質子就這樣開始結合，並形成一個氦原子核（通常還需要一個中子來保證氦原子核的穩定）。引力在原子尺度上非常弱，科學家們通常會忽略它而不會在計算中產生重大誤差。

圖解：地球引力場中的引力探測器B

然而，在天文學尺度上，引力與其他作用力相比又確實是佔首要地位的。兩個理由可以證明這點：1）引力的作用範圍很長2）不存在具有負質量的事物。當兩個受力物體正在分離，每種力都會相繼消失。區別在於力消失的速度是不同的。強核力和弱核力的作用距離很短，這意味著一旦到微小的原子核之外，這些力就會迅速減小至零。

圖解: 感受到電磁力的作用，移動於磁場中的電子射束，其移動路徑呈圓形。電子經過的路徑會有紫色光發射出來。這是因為電子與玻璃球內的氣體分子碰撞而產生的現象。

原子核的微小尺寸也是核力極短作用距離的直接結果。兩個距離在納米尺度上的粒子已經相距太遠，而不能相互施加明顯的核力。如果核力對於相距納米尺度的粒子來說都如此微弱，那麽顯然它在天文尺度上將會更加微不足道甚至於忽略不計。例如，太陽和地球距離極遠（數億千米），它們的核力並不能施加給彼此。而與此相反的是，電磁力和引力有著無限的有效範圍*，並在逐漸減弱時與1/r^2成正比。

如果說電磁力和引力都具有無限的有效作用範圍，那又為什麽說地球維持繞日軌道是依靠引力而不是電磁力呢？原因在於負質量是不存在的，而負電荷卻是存在的。如果將單個正電荷靠近單個負電荷，然後在另一個遠距離電荷處測量其合力，結果往往是負電荷將正電荷抵消。這種兩個等量異號電荷組成的系統即是電偶極子。由於這種抵消效應，電偶極子產生的電磁力減弱時與1/r^3成正比而非1/r^2。同樣，如果將兩個正電荷和兩個負電荷準確地靠近在一起，就會得到電四級杆。電四級性質上的電磁力減弱得更為迅速，與1/r^4成正比，因為負電荷對正電荷的抵消所起的作用是如此之大。

圖解：在巴巴散射裡，電子與正電子彼此之間倚賴交換光子來實現電磁力。

當把越來越多的等量正負電荷放在一起，整個系統的電磁力作用距離就會越來越短。有趣的點在於大部分物質都是由原子構成的，而大多數原子都具有等量的正負電荷。因此，儘管單個電荷的原始電磁力確實具有無限範圍，但對於恆星和行星等典型物體來說，電磁力的有效作用距離就要短上許多。

在天文尺度上，這時只有引力尚且存在。如果負質量真的存在（反物質具有正質量），且原子在通常情況下包含正與負質量兩部分，那麽引力的命運將與電磁力相同，天文尺度上明顯的力也將不複存在。幸運的是，負質量並不成立，多個物體靠近產生的引力總是累加的。總之，引力在一般情況下是最弱的，但在天文尺度上它也因作用距離最長以及沒有負質量存在，而成為主導作用力。

圖解：引力作用於形成銀河系的恆星。

*注意：在上面的公式中，我採用了較舊的牛頓引力公式。以廣義相對論的形式描述引力更為準確，它說明引力並不是真正的力，而是一種時空的扭曲。在小於星系群並遠離黑洞等超密集質量的尺度上，牛頓引力是廣義相對論的極佳近似。但若要合理解釋所有結果，則必須使用廣義相對論。從廣義相對論和許多證實它的實驗觀測結果來看，引力並不具有無限的作用範圍，但它的消失範圍會比星系群尺度更大。因此，對於尺度小於星系群的範圍，引力隻具有1/r2的作用，並且可以認為是“無限”的。這也是我所說引力具有“有效”無限作用範圍的原因。在最大尺度上，我們的宇宙正在擴張，而非由引力作用收縮在一起。這由廣義相對論可以推測得知。在比星系群更小的尺度上，時空主要遵循牛頓萬有引力；而在更大尺度則表現得完全不同，時空正在擴張。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.

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