文：肖堅強、Lee 繪圖：Castra 審：飛果
物理學家理解世間萬物的方式就是給它們找規律，因為他們希望藉此得到一個可以用來解釋所有物理現象的理論。而理論上宇宙間所有物理現象都可以用四種基本力來解釋，所以找到統一四種基本力的理論就等於是找到了科學的終極理論。
可是萬有引力偏偏不叫他們如意。作為自然界客觀存在的四大基本力之一的萬有引力，與其它三種基本力（電磁力、強力、弱力）無法完全統一，有的規律到了萬有引力這就不適用了。因此物理學家們如果不能攻破萬有引力這一難題，就無法達成理論大一統的終極夢想了。
沒錯，今天我們要翻的就是萬有引力的牌子！讓我們揭開它神秘的面紗，看看這個難倒萬千物理學家的萬有引力到底有什麼與眾不同之處。
萬有引力
vs重力既然談到萬有引力的概念，就不得不說一下萬有引力和重力的區別。雖然萬有引力和重力都可以用英文單詞gravity來表示，而且在地球上，這兩個概念都表示地球對物體的引力，但是這兩個概念並不相同。
重力屬於萬有引力的一個分力,另一個分力則是向心力，用來維持地球上的物體隨地球一起自轉。萬有引力指向地心,重力的方向則是豎直向下。根據腦袋被蘋果砸了的牛頓發明的萬有引力定律F=Gm1m2/r 2，物體和地球質量不變，地球半徑為常量，那麼在地球上的不同位置，同一物體與地球之間的萬有引力保持不變。但是同一物體的重力是會隨著所處的位置一起變化的。在地球的兩個極點上，由於沒有向心力,物體所受萬有引力就是重力，此時重力最大。重力最小的位置在赤道上，此時物體的向心力最大，萬有引力與重力差別也最大。
只不過通常情況下，由於向心力很小（一般都不到1N）,重力與萬有引力的偏差也就被忽略不計了。
圖1 重力與萬有引力的關係（圖片來自網絡）
萬有引力之弱
萬有引力和我們平常說的重力略微有所區別，很多時候我們還是把二者併為一談的。
言歸正傳，萬有引力在四大基本力中顯得非常另類，主要歸因於其兩大特質。
其中之一即萬有引力很弱。沒錯，弱也是人家的特質！弱到什麼程度呢？萬有引力比其它三個基本力大概要弱1036倍。說了說明這一點，我們可以做這樣一個非常簡單的實驗：首先，找一塊標準的廚房用磁鐵。比如下圖這樣的。
圖2 磁鐵刀架，圖片來自網絡。
當然其實隨便一塊小磁鐵也可以啦。然後，用它吸引一顆金屬釘。毫無疑問，實驗的結果會是：沒有磁鐵吸引時，釘子受重力影響，掉落在地面上；但是有磁鐵吸引時，磁力會牢牢地抓住釘子，使其無法落下。也就是說，從吸引力上來看，一塊小磁鐵（電磁力）就能打敗一整個地球（萬有引力）！
圖3 電磁力強於萬有引力（圖片來自銀河說，由Castra繪製）
弱卻不能小覷
這時你可能會疑惑了，相較於其它三個基本力弱了36個數量級的萬有引力如何在宇宙中發揮重要作用？畢竟正是因為萬有引力，我們才不至於在太空中飄來飄去；因為萬有引力，宇宙才不會只是一個裹挾了氣體和塵埃的不規則黑色巨團，反而演化出了神秘的黑洞、各種星系（其內有穩定運行的恆星、行星等）、甚至各種長相奇特卻很好吃的熱帶水果，還有正在閱讀我們這篇風趣實用的科普文的你(～￣▽￣)～。
面對其它三個更為強大的基本力，萬有引力難道會以柔克剛之術、以少勝多之法？答案似乎還真實這樣，萬有引力就像一個在宇宙中統領大軍的文弱書生，不可小覷。
事實上，在涉及大片區域以及
大質量物體時，萬有引力起著更為顯著的作用。這就是萬有引力的第二個特質了。強力和弱力雖然都遠強過萬有引力，但它們只會在微觀世界中起作用，在浩瀚的宇宙中顯得就不起眼了。而同為長程力的電磁力雖然比萬有引力強大得多，但它不是萬有引力那樣的單向力，在大範圍內會被中和、消失，所以對恆星和星系的運動沒什麼大影響。
電磁力是電荷、電流在電磁場中所受力的總稱；是在帶電粒子之間引起的力，在強度上僅次於強力，是四種基本力中第二強的力。電磁力和萬有引力一樣是宇宙中普遍存在的一種長程力。
下面就從萬有引力單向力和被中和的電磁力兩方面具體說說。
首先，為什麼說萬有引力是單向力（吸引力）呢？看公式F=Gm1m2/r2就能明白：萬有引力的大小取決於物體的質量，質量都是正數，所以萬有引力之的數值只能是一個正值（負值意味著力的方向與正值相反）。
萬有引力還是四個基本力中唯一一個只吸引，不排斥的力。電磁力就有正負之別（因為帶電粒子具有正負電荷，而電磁力與帶電粒子帶電量有關）。至於短程力強力和弱力，色荷不同，其正負數值就會不同。
其次，大範圍內，非單向力的長程力——電磁力又是怎麼被中和的呢？我們以地球和太陽之間的力為例進行分析。
如果太陽由正電荷組成，地球由負電荷組成，那麼它們之間的吸引力將會巨大無比，地球很快就會被太陽吸過去。
但實際上，地球和太陽都是由數量相當的正負電荷組成，彼此之間的正負電磁力相互抵消，因而它們之間的電磁力可忽略不計。
圖
4 地球與太陽之間被中和的電磁力（圖片來自銀河說，由Castra繪製）其實正負電磁力的相互抵消並非出自偶然。電磁力十分強大，它會將正負電荷來回吸收直到不平衡的現象全部消失。在宇宙早期，電磁力就找到了平衡，一切物體都成為中性。
綜上，地球和太陽之間沒有淨電磁力，弱力和強力在如此大的距離範圍內又沒有任何作用，所以唯一起到實質作用的力就是萬有引力了。同理，在行星和星系這樣的宏觀世界內萬有引力才是有著主導作用的力。
結語
大多數時候，萬有引力與其它三個基本力都有著相同的規律，但是它的兩大特質使得科學家還很難完成理論大一統的理想：一是它跟別的基本力比起來真的很弱；二是萬有引力只吸引不排斥。探尋萬有引力兩大特質的產生原因，或許我們就可以在現有大統一理論和超統一理論的基礎上有所突破了。
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