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万有引力的特立独行 ——物理大一统的障碍

万有引力定律和广义相对论对引力的解释,本质上是对同一事物的两种描述而已,没有对错之分,只有适用范围之分——牛顿力学的描述形式简单,但只在弱引力场中生效,广义相对论的描述比较复杂,适用于所有场合。可以这么说,一般的引力问题用万有引力定律解决,少数疑难杂症用广义相对论解决。

目前,引力的理论已经能够基本解决引力本身的所有问题了,但是在引力本身之外,还存在其他三种基本相互作用力,只有四力合一,统一到同一个框架下,才算是物理学家的终极目标。然而,引力极其“桀骜不驯”,它与其他基本力的统一之路,非常艰难。

物理学家痴迷“统一”

力是物体之间的相互作用。生活中存在着各种各样的力,宏观上有拉力、推力、弹力、压力、重力等,从微观上看,还有洛伦兹力、范德华力、分子间作用力等。但不管是什么力,都可以归类为以下四种基本相互作用力之一:万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力、弱相互作用力。万有引力我们都清楚了,那其他三种基本相互作用力分别是什么呢?

电磁相互作用力,简称电磁力,是处于电场、磁场或电磁场的带电粒子所受到的作用力;强相互作用力又称为强核力,是把原子核内中子和质子结合在一起的力;弱相互作用力,简称弱力,它只作用于极其微小的粒子,例如电子、夸克、中微子等费米子,并制约着放射性现象。强核力和弱核力的作用距离极短,作用范围很小,且只是原子或者极微小粒子之间的作用力,这些力我们基本接触不到,平时人们见到的基本作用力,除了引力外,就是电磁力。

正如数学家痴迷于各种数学形式的“对称美”一样,物理学家致力于将各种物理理论放在同一个理论框架下,“统一”是物理学家所追求的终极美。四种基本力的发现过程,就是诸多物理领域的统一过程:在17世纪,开普勒提出了描述行星运动的开普勒三大定律,阐释了天体的运行规律,但是开普勒本人却不知道三大定律之间的联系。直到牛顿提出万有引力定律,才从本质上解释了开普勒三大定律,第一次统一了天上和地下物体的运动规律。

凭借着万有引力定律和牛顿三大定律,整个经典物理的理论大厦开始被逐步建立——1865年,英国物理学家麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组,完成了电和磁的统一。一切电和磁的规律和现象,都可以由麦克斯韦方程组解释。

1954年,物理学家杨振宁和米尔斯通过对电磁相互作用进行分析,将电磁相互作用和弱相互作用统一到一个新的理论中——杨-米尔斯理论。杨-米尔斯理论是20世纪下半叶极其重要的物理突破,是现代规范场理论的基础。规范场论比杨-米尔斯理论更近一步,在量子力学的框架下,成功的将电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用统一到了一个模型中,这就是标准模型。

标准模型在微观领域所向披靡,所有对电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用这三种作用的实验的结果都合乎这套模型的预测。但面对引力的时候,这套理论有点束手无策了——引力根本没有办法量子化!

早在标准模型建立的几十年之前,广义相对论诞生后,爱因斯坦就做过将电磁相互作用统一到广义相对论中的尝试。那时,强核力和弱核力还没有被发现,挡在爱因斯坦面前的只有电磁力。爱因斯坦一度非常乐观,认为电磁力和引力是如此的相似,都具有长距离的作用,也都符合距离的平方反比规律。然而,爱因斯坦直到去世,也没有将电磁力给纳入到广义相对论中。

深究起来,有两个原因,首先是数学原因:广义相对论是无限可分的,是连续性的。而量子力学理论是不连续性的,有最小单位的。其次是物理原因:广义相对论是经典确定理论,由状态A可以推论出确定的,唯一的状态B。量子论是不确定性的,由状态A到状态B是不可预知的,是随机的过程。从广义相对论出发,研究其他基本力,困难巨大。

标准模型里面统一的三种基本力,均是从量子力学的角度出发。那么从量子力学的角度,统一引力存在什么困难呢?

引力子能解决问题吗?

标准模型在理论上完成了强相互作用力、弱相互作用力和电磁相互作用力的统一。量子力学认为力是由粒子的传递交换而来的,这三种基本力都有一个特点,就是需要传递这些相互作用的传递介子,比如电磁力的传递介子是光子,强力的传递介子是胶子,而弱力的传递介子是w玻色子和z玻色子。由标准模型出发,科学家们假定存在一种传递引力的介子——引力子,这种引力子可以将引力量子化——根据量子力学基本原理,能量是量子化一份一份的,所以引力能量也必须是一份一份的,引力能量由引力子作为载体将能量传递到无限远处。

但遗憾的是,引力子至今还没有被发现。它仍然是一个假想的粒子,有些科学家坚信引力子存在,有些科学家认为引力子根本不可能存在,不同派别的科学家各执一词。但引力子一旦被发现,物理学界将发生天崩地裂的大变化。

广义相对论认为引力是时空的弯曲,当一个有质量的物体在时空当中运动的时候,时空曲率变化反应了这些物体的位置变化。反过来,在某些特定环境之下,加速的物体也能够导致时空曲率发生变化,并且这种变化能够以波的形式向外以光速传播,这种传播现象被称之为引力波。

量子力学认为,粒子具有波粒二象性,即粒子即具有波的属性,也有粒子的属性。根据这个条件,引力波,必定是由某种粒子组成。如果这种粒子是引力子,量子力学将也许能够在某种角度上,和广义相对论产生联系。但仅仅是产生联系,量子力学和广义相对论的根本矛盾不会改变。这个联系还会带来更大的疑惑:在量子力学的世界中,任何物理量都是不确定的,由引力子产生的引力场应该是不确定的,但在宏观现实中,引力场却是确定的,很难弄明白这样的引力场如何产生。

引力子究竟存不存在还是未知数,但科学家们不会放弃“统一”的梦想,他们会不断地尝试新方法。

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