神秘的引力

■ 陳壯叔

引力是什么？

早在20世紀30年代，科學界就已經知道宇宙中有四種基本力，即引力、電磁力、強力和弱力（后兩種力在原子核內起作用）。其中，第一個被科學地探索的力是引力，可是迄今它仍然是一個謎！

“蘋果成熟后落向地面”這一人們常見的事物，在400年前的牛頓眼中卻成為問題。這個問題沒有人能為他解答，只能由他自己去找答案。

這位大科學家最終得出結論：蘋果之所以下落，是因為地球的引力所致。按他的說法，引力是一種力，作用在別的物體上，將使其改變運動（方向、速度）。牛頓的引力理論，一直被人們有效地應用?？墒堑搅?0世紀初葉，愛因斯坦的廣義相對論問世，事情卻出現(xiàn)了變化。

按相對論，引力并非像牛頓所描述的那么簡單。在相對論的框架內，引力具有宇宙學的性質，并非是個別天體（物體）之力。在愛因斯坦的理論中，宇宙結物（即四維時空）中充滿了物質（能量）的團塊，因此空間被這些物質團塊所彎曲是必然的。無論何物，它打算筆直地通過宇宙，但實際上它卻是沿著一條曲線在運動。而這條曲線的曲率就是引力。因此，引力并非某一物體直接加在另一物體上的力，而是某一物體（具有質量）加在其周圍空間的力。

雖然利用牛頓的引力理論，我們把宇航員送上了月球，十分精確地繪制出行星軌道圖。但牛頓沒有像愛因斯坦那樣，對引力做出根本性的解釋。牛頓理論在大尺度空間、高速運動或強引力場中，才能有效應用。盡管有了相對論，我們迄今尚不知道，物質（能量）和時空相結合所造成的現(xiàn)象，究竟具有怎樣的本質特性。

物理學家在對其他三種力的研究中發(fā)現(xiàn)，它們都是通過放射某種粒子來傳遞力的。例如，電磁力就是帶電粒子借放射光子來傳遞的。因此人們設想，引力也該如此。

但跟科學家的預期相反，他們陷入了困境。首先，人們做了很多努力，卻始終未能找到傳遞引力的所謂引力子；其次，更糟糕的是，當量子場論（現(xiàn)代物理學中一種十分成功的理論）應用于引力時，總不能找到直接的答案。

為何引力只有拉力？

其他三種基本的自然力，都有相反的力，例如電磁力，它既有引力也有斥力，這依賴于電荷的性質。那么，引力為何不如此呢？

這個答案似乎藏在量子場論之中。按這一理論，這些放射出強、弱、電磁力的粒子，都具有不同的“荷”，它們既可以為正，也可以為負，這就導致力的不同符號（即引力或斥力）。但就理論來說，引力子并非如此，因為粒子問題對應為物質（能量）的密度，所以永遠是正的。

但一些科學家對此卻有懷疑?；萆f：“其實我們并不知道，引力是否確切地僅是一種吸引力。”他認為，暗能量在加速膨脹宇宙空間，因此，有可能引力具有兩種表現(xiàn)形式。一些物理學家也猜測，暗能量可能是一種排斥性的引力，但只是在很大尺度的空間中才顯現(xiàn)出來?；萆f：“這在基本力中也有先例可循。例如強力，它在某種距離上具有吸引性；而在另一種距離上，則為斥力?！?/p>

引力和其他基本力之間的明顯差異，現(xiàn)在還無法解釋，科學界正在等待一種新的理論——萬物論，因為它能對所有基本力做出單一理論框架內的敘述?，F(xiàn)在，極大多數(shù)科學家都青睞所謂“超對稱”的理論。按此理論，所有的粒子都具有孿生的兄弟粒子（唯質量較大）。但有的科學家認為，“超對稱”理論并非是最終的答案，“很可能需要一種全新的概念來解決問題”。

引力為何如此微弱？

在四種基本力中，引力是最微弱的，可是這個弱者卻支配著宇宙的命運。

你向上跳，只需稍稍用力就行。你那幾千克的肌肉卻可克服地球（重達6×1021千克）的引力。它的強度只有電磁力的1/1040。

雖然其他三種基本力的大小都不大，但它們大致上跟其作用距離相配，唯獨引力不然。這是什么原因呢？

慢性支氣管炎在老年人群體中屬于一種常見疾病,主要表現(xiàn)為支氣管腺體增生,支氣管黏膜分泌物增多,患有此病的患者,病情發(fā)展迅速,容易引發(fā)肺氣腫、肺動脈高壓和肺源性心臟病等并發(fā)癥。因為老年人患者臟器多數(shù)存在一定損傷,機體免疫力不高,導致慢性支氣管炎存在反復發(fā)作,難以治愈的現(xiàn)象。臨床上經常使用頭孢等抗生素藥物進行治療,但效果不是十分理想。背景研究為分析川芎嗪聯(lián)合山莨菪堿治療老年慢性支氣管炎療效,選取2016年8月-2017年8月期間收治的82例慢性支氣管炎患者作為研究對象,現(xiàn)報道如下。

按現(xiàn)在一種新的理論（強磁）的說法，我們的宇宙空間不是三維，而是十維。引力之所以如此微弱，只因部分引力漏入到其他維空間。實際上，我們現(xiàn)在所說的只是其部分的力。

而另外的七維空間，都蜷縮得很小，無法觀察到它們的存在，但它們將改變物質間甚小距離上的引力。因此，如果想驗證這一理論，目前的方法是測量相距甚小的兩物體間的引力。科學界迄今能做到的實驗是相隔0.06毫米，不過沒有找到什么變化。

科學界還有一個希望，寄托在歐洲核子研究所身上。它的威力甚大的大型強子對撞機，在其高速質子的碰撞中，質子被碰得粉碎從而產生許多粒子，其中有一些是罕有的或從未見過的粒子。這里要回溯到20世紀30年代，當時有些理論家想把電磁力和引力聯(lián)系起來。德國數(shù)學家西奧多·卡魯扎和瑞典物理學家奧斯卡·克萊因熱衷此道，他們認為，當普通粒子進入其他維空間時，會發(fā)出“回聲”，表明自己是一個更重的粒子?？茖W界稱此為卡魯扎—克萊因態(tài)。因此，若在對撞機的強子對撞中找到卡魯扎—克萊因態(tài)的粒子，就能間接地說明其他維度的存在。不過，目前還是懸案。

為何引力調整的那么好？

要感謝引力的微弱，如果它稍微強一點，我們就不會存在于這個世界之中。在宇宙誕生的一瞬間，它產生了物質（它的更一般形式是能量）和膨脹著的時空。只有在這種時空中，物質才能存在。引力把它們拉攏，而空間膨脹卻把物質粒子一步步地分散，使其相互間的吸引越來越弱，最終達到平衡。

在初生宇宙中，如果空間膨脹勝過引力，那么星星、星系和我們人類，永遠休想出現(xiàn)；反之，若引力更強，那么所有的物質將很快積聚而塌縮，我們的宇宙早該結束了。

據科學家的計算，必須在宇宙誕生的第1秒內，膨脹便和引力取得平衡，其誤差更在保持在1/1015之內，此后的生命才能得以形成。因此引力值G，也被稱為大爆炸值G。

在所有的自然常數(shù)中，G是被精確調整過的，它的誤差小到1/104。這為下一個自然常數(shù)（普朗克常數(shù)）做好了準備。普朗克常數(shù)極為精確，它的誤差不超過2.5/106。普朗克常數(shù)是微觀粒子世界的關鍵因素，是它促成了粒子的特性。

正是引力的微弱致使G難以測出，這是一個實驗上的結果，并非理論有誤。使得科學界感到困惑的，倒不是G的難測，而是這個G值到底來自何處？為何此值允許宇宙中出現(xiàn)生命？

一個簡單而無法令人滿意的回答是：若G值不是這般，我們就不會在這里觀察它了。至于更深的答案，沒有人知道。劍橋大學的拜羅說：“我們能測出其值，卻不知道它從何而來。也許我們永遠也不可能解釋任何一個自然常數(shù)?！?/p>

引力是生命的必需品？

植物在空間生長，其根便會迷失方向，致使其無法有效地吸取養(yǎng)分和水，缺乏淀粉產物，是這種有害效應之一；有些在微重力環(huán)境中生長的種子，其植物基因的表達都有異于常規(guī)的基因。

動物若失去了引力，那將遇到大量問題，雖然目前我們尚不完全清楚整個事態(tài)會怎么樣發(fā)展。加拿大生物學家華塞沙格說：“我們具有動物存活在空間達半個世紀的記錄，但我們卻沒有單個哺乳動物的整個生命周期在空間如何存活的記錄?！?/p>

在俄羅斯的空間站，密爾發(fā)現(xiàn)，鵪鶉蛋在空間比在地面孵出的少；在“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機上曾做過一次實驗，研究鵪鶉胚胎的發(fā)育情況，結果16個胚胎沒有一個孵出。他們看到，蛋黃浮在蛋白中間（而在地面引力的條件下，蛋黃是挨著蛋殼的），顯然是在微重力的作用下，胚胎和蛋殼間的空氣傳遞出現(xiàn)了問題，這對胚胎是致命的。退一步說，即便胚胎能存活，可以見到白天的亮光，它們也不會為自身做平衡和取向，從而導致覓食困難。

對人類來說，呼吸上也會產生問題。在空間，宇航員的肺容量會減小，這是因為沒有重力把橫隔膜往下拉；更糟的是，在微重力中，肝處于較高的位置，進一步減小了肺容量。這對短時間的空間旅行來說問題還不算嚴重，可如果一個嬰兒出生、生長于空間，又將怎樣呢？

華塞沙格說：“首先他將是肺容量較小的成人，有很多理由使人相信，這將產生嚴重的問題。例如，他無法將他的肺咳得清潔，而且當他進入性成熟期后，可能招致危險。又如骨骼的問題，我們的骨骼需要體重的張力，而在微重力中，這就成了問題。空間站人員在返回地面后進行的檢查表明，人在微重力中，肌肉也會受到嚴重的損害；而對婦女來說，在微重力的環(huán)境下很難自然分娩?！?/p>

華塞沙格說，長期留在空間會有什么后果現(xiàn)在還不完全清楚，“因為我們對在微（或無）重力條件下成長和生活，了解得太少了”。

我們能屏蔽引力？

關于建立一個引力屏障的討論已經有許多年了，不過它一直存在于科幻的園地，實際上還沒有人真打算去做。俄羅斯科學家波得克萊諾夫曾嘗試了一下。1992年，他發(fā)表了一篇文章，宣稱在一個旋轉著的陶瓷超導體圓盤周圍測物體重量時，將減少2%。

2003年，澳大利亞研究中心的坦杰曼，在他的研究報告中說，他在歐洲空間局的資助下，正在從事類似于波得克萊諾夫的引力屏蔽實驗。此后，他和歐洲空間局宣稱，他們在一個旋轉著的超導體附近的確測得一種效應，可以影響到引力。但其他研究者也做了類似的實驗，不過未獲成功。

從理論上說，相對論并不排除這種可能性：因引力而被彎曲的時空，可以不被彎曲。密蘇里大學的物理學家麥里霍恩說：“通過適當?shù)匕才牛锌赡芟ɑ蚣訌姡┮π??！?/p>

他在談論其實驗時說，這涉及一種所謂的引力—磁效應。根據相對論，旋轉物體的質量將抓住其周圍的時空，使其旋轉。正如一個旋轉的電荷產生一個磁場那樣，旋轉著的質量將產生一個引力—磁場。

既然如此，我們在真實世界中應該能找到這種效應。例如，地球的處置是否影響衛(wèi)星軌道的變化？不過，迄今還沒有觀測到這類現(xiàn)象。對此，麥里霍恩并不感到奇怪，他說：“在粒子領域中，相對論性效應極為微弱?！?/p>

因此，迄今為止，就整個科學界而言，對上述引力—磁場仍不清楚。但麥里霍恩說，這可能是我們進行星際旅行的唯一辦法。他說：“使用現(xiàn)有的技術去離我們最近的星球，也得花上100多萬年，所以對此技術的探索還是有意義的?！痹僬f，還有一些研究者提出，在超過某個臨界速度時，相對論可能給出排斥性的引力，這完全可以用做飛船的推進器。

量子引力理論？

量子力學和相對論，是我們描述世界最成功的兩個理論，可是這二者跟我們體驗到的日常世界，卻奇怪地不一致，同時這二者間也有矛盾。

量子論描述了亞原子粒子的行為，它們的確很神秘。例如，量子客體能同時處在兩個位置上，或處于兩個不同的運動方向。

在相對論看來，我們的時空是微微彎曲的，在大尺度空間，這樣的現(xiàn)象十分明顯。但在極端條件下，例如在黑洞中心或宇宙起始時刻，這一方程顯得毫無意義。

最大的問題是，沒有人能找到如何把相對論和量子理論結合起來，以形成一個量子引力理論的方法。愛因斯坦是第一位科學家，他企圖把引力理論跟其他物理理論相結合。但直到今天，我們還是沒能比愛因斯坦走得更遠一些?，F(xiàn)在最為人們所熱衷的量子引力理論，似乎還存在一些根本性的問題，并且沒有人知道該如何去解決這些問題。

不過科學界并不氣餒。加拿大物理學家斯摩林說：“我堅信，以我們的智慧，一定能完全了解我們所在的宇宙?！?/p>

按牛津大學的派恩路斯之見，最終的量子引力理論并非就在眼前。他說，現(xiàn)有的理論還不夠完整，不足以成為候選者，這是因為它們忽視了一些重要的現(xiàn)象，比如量子世界奇異行為的奧秘。他說：“應該有這樣一種大的變革，一種根本上突破現(xiàn)有物理理論的思想?！?/p>

也許派恩路斯的看法是正確的。這意味著，科學界還得花上較長時間的努力。