科學史上的最大謎團：萬有引力

■劉巖

萬有引力是人類最早認識的一種相互作用。1687年，牛頓在其出版的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中就提出了這一概念。牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規(guī)律，而且還指出木星、土星的衛(wèi)星圍繞行星也有同樣的運動規(guī)律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽的引力，從而解釋了月球運動中早已發(fā)現(xiàn)的二均差、出差等。另外，他還解釋了彗星的運動軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。

然而，這個最早被人類所認識的相互作用，卻又是困惑人類時間最久的謎團。早在笛卡爾時代，人類就試圖找到引力的根源，但時至今日，問題依然沒有答案。

愛因斯坦的廣義相對論曾經(jīng)將引力的本源向前推進了一步。但是，愛因斯坦的理論仍然是一個“唯象”的理論，只是將引力問題替換成一種新的表達方式，用四維空間的彎曲來描述；但是在引力源——也就是含有質量的這一項上，愛因斯坦的理論與牛頓的引力理論相比沒有任何進步。

目前，人類已知的所有粒子都有質量，甚至是被稱為“宇宙幽靈”的中微子，前幾年也已測出了它的質量。所以，可以這樣說，引力可以和所有的基本粒子發(fā)生耦合——即相互作用。

也許正是由于引力的這一特性，才激發(fā)了蘇格蘭的理論物理學希格斯設想將質量的來源假設為一種真空漲落。由于所有的粒子都存在于真空背景之中，所以，真空漲落就可以作用于任何粒子。用真空漲落來解釋質量的來源似乎可以說得通，這就如同在海面上生活的漁民天天感覺到海浪的沖擊一樣。

希格斯的設想在20世紀80年代被發(fā)揚光大。人們拓展了這一理論，甚至在理論上預言了賦予任何粒子質量的粒子——希格斯子。

但是，時至今日，人們既沒有在太空觀測到，也沒有在粒子加速器上發(fā)現(xiàn)希格斯子的蹤跡。

是自然界在和人類捉迷藏，還是人類的認識出了偏差？答案似乎很明確，自然界天天在和人類捉迷藏，人類的理論無法觸及引力的本源。

時至今日，引力的本源問題已經(jīng)成了物理學史上最大的懸案。

自然界也許真的在愚弄人類，讓人類最早認識引力，但又將引力的本源深藏于自然的深處，用4個世紀的時光與人類捉迷藏。

目前，理論物理學家回過頭去整理人類關于引力本源的探索歷程，比較一致的看法是：引力的本源深藏在質量之中，既牛頓萬有引力方程中的引力常數(shù)之中。這個常數(shù)，同樣出現(xiàn)在愛因斯坦的廣義相對論引力方程右邊的項中。

現(xiàn)在，人類的認識已經(jīng)深入到了構成質子、中子的基本單元——夸克，并確定自然界中夸克的種類一共有6種，而且夸克有“漸近自由”的基本性質。但是，夸克是由什么構成的？夸克的荷電機制是什么？這些更基本的問題依然沒有答案。

雖然喧鬧一時的弦理論聲稱可以解釋夸克的性質及粒子荷電的機理，但是，弦理論卻又提供不出任何可供人類從實驗上驗證這些機制的可行方法。因此，弦理論似乎更像是“數(shù)學游戲”，而非物理理論。

從笛卡爾到牛頓，又到愛因斯坦，直至今天，引力的本質成了物理學天空中一團最大的迷霧。粒子物理學的進步非但沒有幫助人類解開引力之謎，反而將引力問題更加復雜化了。特別是20世紀90年代發(fā)現(xiàn)宇宙暗物質之后，引力和暗物質之間的關系更是讓這一謎團謎上加謎?？梢钥隙?，暗物質和引力的本源有最直接的關系。但是，暗物質是什么？由什么粒子或者什么量子態(tài)構成？這些難題更是試圖揭開引力之謎道路上遇到的新謎團。

引力似乎成了一個由謎團構成的魔盒，打開外面的大盒子，發(fā)現(xiàn)里面又裝著幾個小盒子；打開一個小盒子，又發(fā)現(xiàn)小盒子里面是更小的盒子，無窮無盡。

引力的本質已經(jīng)成了挑戰(zhàn)人類智力的最大游戲。這個游戲由笛卡爾、牛頓拉開序幕，而演出仍在繼續(xù)，并且看不到終點。