萬有引力的特立獨行

陳文廣

埃里克·弗林德認為引力其實根本不存在，它只是一種熵變現(xiàn)象。

萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋，本質(zhì)上是對同一事物的兩種描述而已，沒有對錯之分，只有適用范圍之分——牛頓力學(xué)的描述形式簡單，但只在弱引力場中生效，廣義相對論的描述比較復(fù)雜，適用于所有場合?？梢赃@么說，一般的引力問題用萬有引力定律解決，少數(shù)疑難雜癥用廣義相對論解決。

為標準模型做出突出貢獻的物理學(xué)家楊振寧

目前，引力的理論已經(jīng)能夠基本解決引力本身的所有問題了，但是在引力本身之外，還存在其他三種基本相互作用力，只有四力合一，統(tǒng)一到同一個框架下，才算是物理學(xué)家的終極目標。然而，引力極其“桀驁不馴”，它與其他基本力的統(tǒng)一之路，非常艱難。

物理學(xué)家癡迷“統(tǒng)一”

力是物體之間的相互作用。生活中存在著各種各樣的力，宏觀上有拉力、推力、彈力、壓力、重力等，從微觀上看，還有洛倫茲力、范德華力、分子間作用力等。但不管是什么力，都可以歸類為以下四種基本相互作用力之一：萬有引力、電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力。萬有引力我們都清楚了，那其他三種基本相互作用力分別是什么呢？

電磁相互作用力，簡稱電磁力，是處于電場、磁場或電磁場的帶電粒子所受到的作用力;強相互作用力又稱為強核力，是把原子核內(nèi)中子和質(zhì)子結(jié)合在一起的力;弱相互作用力，簡稱弱力，它只作用于極其微小的粒子，例如電子、夸克、中微子等費米子，并制約著放射性現(xiàn)象。強核力和弱核力的作用距離極短，作用范圍很小，且只是原子或者極微小粒子之間的作用力，這些力我們基本接觸不到，平時人們見到的基本作用力，除了引力外，就是電磁力。

正如數(shù)學(xué)家癡迷于各種數(shù)學(xué)形式的“對稱美”一樣，物理學(xué)家致力于將各種物理理論放在同一個理論框架下，“統(tǒng)一”是物理學(xué)家所追求的終極美。四種基本力的發(fā)現(xiàn)過程，就是諸多物理領(lǐng)域的統(tǒng)一過程：在17世紀，開普勒提出了描述行星運動的開普勒三大定律，闡釋了天體的運行規(guī)律，但是開普勒本人卻不知道三大定律之間的聯(lián)系。直到牛頓提出萬有引力定律，才從本質(zhì)上解釋了開普勒三大定律，第一次統(tǒng)一了天上和地下物體的運動規(guī)律。

標準模型

憑借著萬有引力定律和牛頓三大定律，整個經(jīng)典物理的理論大廈開始被逐步建立——1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組，完成了電和磁的統(tǒng)一。一切電和磁的規(guī)律和現(xiàn)象，都可以由麥克斯韋方程組解釋。

1954年，物理學(xué)家楊振寧和米爾斯通過對電磁相互作用進行分析，將電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一到一個新的理論中——楊-米爾斯理論。楊-米爾斯理論是20世紀下半葉極其重要的物理突破，是現(xiàn)代規(guī)范場理論的基礎(chǔ)。規(guī)范場論比楊-米爾斯理論更近一步，在量子力學(xué)的框架下，成功的將電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用統(tǒng)一到了一個模型中，這就是標準模型。

標準模型在微觀領(lǐng)域所向披靡，所有對電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用這三種作用的實驗的結(jié)果都合乎這套模型的預(yù)測。但面對引力的時候，這套理論有點束手無策了——引力根本沒有辦法量子化！

早在標準模型建立的幾十年之前，廣義相對論誕生后，愛因斯坦就做過將電磁相互作用統(tǒng)一到廣義相對論中的嘗試。那時，強核力和弱核力還沒有被發(fā)現(xiàn)，擋在愛因斯坦面前的只有電磁力。愛因斯坦一度非常樂觀，認為電磁力和引力是如此的相似，都具有長距離的作用，也都符合距離的平方反比規(guī)律。然而，愛因斯坦直到去世，也沒有將電磁力給納入到廣義相對論中。

深究起來，有兩個原因，首先是數(shù)學(xué)原因：廣義相對論是無限可分的，是連續(xù)性的。而量子力學(xué)理論是不連續(xù)性的，有最小單位的。其次是物理原因：廣義相對論是經(jīng)典確定理論，由狀態(tài)A可以推論出確定的，唯一的狀態(tài)B。量子論是不確定性的，由狀態(tài)A到狀態(tài)B是不可預(yù)知的，是隨機的過程。從廣義相對論出發(fā)，研究其他基本力，困難巨大。

標準模型里面統(tǒng)一的三種基本力，均是從量子力學(xué)的角度出發(fā)。那么從量子力學(xué)的角度，統(tǒng)一引力存在什么困難呢？

引力子能解決問題嗎？

標準模型在理論上完成了強相互作用力、弱相互作用力和電磁相互作用力的統(tǒng)一。量子力學(xué)認為力是由粒子的傳遞交換而來的，這三種基本力都有一個特點，就是需要傳遞這些相互作用的傳遞介子，比如電磁力的傳遞介子是光子，強力的傳遞介子是膠子，而弱力的傳遞介子是w玻色子和z玻色子。由標準模型出發(fā)，科學(xué)家們假定存在一種傳遞引力的介子——引力子，這種引力子可以將引力量子化——根據(jù)量子力學(xué)基本原理，能量是量子化一份一份的，所以引力能量也必須是一份一份的，引力能量由引力子作為載體將能量傳遞到無限遠處。

但遺憾的是，引力子至今還沒有被發(fā)現(xiàn)。它仍然是一個假想的粒子，有些科學(xué)家堅信引力子存在，有些科學(xué)家認為引力子根本不可能存在，不同派別的科學(xué)家各執(zhí)一詞。但引力子一旦被發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)界將發(fā)生天崩地裂的大變化。

廣義相對論認為引力是時空的彎曲，當一個有質(zhì)量的物體在時空當中運動的時候，時空曲率變化反應(yīng)了這些物體的位置變化。反過來，在某些特定環(huán)境之下，加速的物體也能夠?qū)е聲r空曲率發(fā)生變化，并且這種變化能夠以波的形式向外以光速傳播，這種傳播現(xiàn)象被稱之為引力波。

量子力學(xué)認為，粒子具有波粒二象性，即粒子即具有波的屬性，也有粒子的屬性。根據(jù)這個條件，引力波，必定是由某種粒子組成。如果這種粒子是引力子，量子力學(xué)將也許能夠在某種角度上，和廣義相對論產(chǎn)生聯(lián)系。但僅僅是產(chǎn)生聯(lián)系，量子力學(xué)和廣義相對論的根本矛盾不會改變。這個聯(lián)系還會帶來更大的疑惑：在量子力學(xué)的世界中，任何物理量都是不確定的，由引力子產(chǎn)生的引力場應(yīng)該是不確定的，但在宏觀現(xiàn)實中，引力場卻是確定的，很難弄明白這樣的引力場如何產(chǎn)生。

引力子究竟存不存在還是未知數(shù)，但科學(xué)家們不會放棄“統(tǒng)一”的夢想，他們會不斷地嘗試新方法。