萬(wàn)有引力之虹

石無(wú)魚(yú)

月球距離地球約384400千米，它在太空中悄無(wú)聲息地運(yùn)行著。實(shí)際上，我們不僅僅知道它的距離，還確切知道月球每一時(shí)刻在哪里，以及下一刻它將走什么路徑。我們的預(yù)測(cè)精度能達(dá)到1毫米。

支配著月球運(yùn)行的是萬(wàn)有引力定律。我們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)，跟物理學(xué)上幾個(gè)最偉大的名字聯(lián)系在一起：伽利略、牛頓和愛(ài)因斯坦。迄今，描述引力最成功的是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

但現(xiàn)在有兩個(gè)問(wèn)題：廣義相對(duì)論與描述微觀世界的理論——量子理論，并不一致;而且，宇宙正在加速膨脹，這與引力使宇宙萬(wàn)物相吸相聚的圖景相?！m然我們將宇宙加速膨脹歸因于暗能量，但暗能量是什么，至今八字沒(méi)一撇。

所以，現(xiàn)有的引力理論或許能讓我們準(zhǔn)確預(yù)測(cè)月球的運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)談到更廣闊的宇宙時(shí)，也許遺漏了一些東西。

那會(huì)是什么呢？有人認(rèn)為，或許我們應(yīng)該考慮，引力本身是有質(zhì)量，或者更確切地說(shuō)，傳播引力的引力子是有質(zhì)量的。

引力簡(jiǎn)史

與電磁力等其他基本作用力相比，引力最顯著的一點(diǎn)是，它是普適的。它的普適性首先表現(xiàn)在，任何有質(zhì)量的物體之間都有引力作用，引力是有質(zhì)量的物體的本質(zhì)屬性。而你試想一下，任何東西可以沒(méi)有電荷，但哪會(huì)沒(méi)有質(zhì)量呢？哪怕像光子這樣靜止質(zhì)量為零的粒子，也有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。所以，引力的作用對(duì)象遍及宇宙萬(wàn)物。

引力的普適性還表現(xiàn)在，引力只跟物體的質(zhì)量有關(guān)，至于物體帶不帶電荷，光滑還是粗糙，堅(jiān)硬還是柔軟，白的還是黑的，這些屬性跟引力都統(tǒng)統(tǒng)無(wú)關(guān)。歷史上，是伽利略第一次知道這一點(diǎn)的。不管他是否真的做過(guò)比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，他當(dāng)時(shí)就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，地球上的每一個(gè)物體都以同樣的方式感受地球引力。這“同樣的方式”就是指引力只跟質(zhì)量有關(guān)，與形狀、結(jié)構(gòu)、成分等質(zhì)量以外的屬性無(wú)關(guān)。事實(shí)上，如果沒(méi)有空氣阻力，從同樣高度同時(shí)松手，一把錘子和一根羽毛會(huì)同時(shí)掉到地上。我們?cè)跊](méi)有空氣阻力的月球上做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明伽利略是對(duì)的。

一個(gè)世紀(jì)后，這兩種普適性成為牛頓提出萬(wàn)有引力定律的基礎(chǔ)。從本質(zhì)上說(shuō)，正是牛頓的萬(wàn)有引力定律使我們能夠以如此驚人的精度預(yù)測(cè)月球和行星的運(yùn)動(dòng)。牛頓定律使我們能夠?qū)⒃虑虻亩ㄎ痪_到10厘米以?xún)?nèi)，而愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論引入的修正則使精度提高到1毫米以?xún)?nèi)。

但牛頓引力定律背后有個(gè)思想引起了人們的深切關(guān)注。這就是牛頓的超距作用思想，即認(rèn)為引力作用是不需要時(shí)間，瞬間發(fā)生的。為了知道問(wèn)題所在，請(qǐng)想象一下太陽(yáng)突然消失了。根據(jù)牛頓的說(shuō)法，地球立刻就能感覺(jué)到失去了太陽(yáng)引力，所以立刻就偏離了軌道。但我們知道，光的傳播是需要時(shí)間的，從太陽(yáng)到地球需要8分20秒左右。這樣一來(lái)，在那8分20秒的時(shí)間內(nèi)，我們腳下的地球已經(jīng)“脫軌”了，而頭頂?shù)奶?yáng)卻依然當(dāng)空照耀。這是不是有些古怪？

牛頓的超距作用思想后來(lái)被愛(ài)因斯坦推翻了。根據(jù)相對(duì)論，沒(méi)有什么能比光運(yùn)動(dòng)得更快，甚至連引力也不例外。愛(ài)因斯坦還證明，牛頓的引力定律只有在引力場(chǎng)弱的時(shí)候才成立。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)接近光速或者引力場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)候，就需要用廣義相對(duì)論來(lái)描述引力了。

引力如何工作的？

那么引力是如何工作的呢？這個(gè)問(wèn)題牛頓的理論幾乎不涉及，但愛(ài)因斯坦給了我們一個(gè)答案。

廣義相對(duì)論把空間和時(shí)間描繪成一個(gè)統(tǒng)一體，稱(chēng)之為時(shí)空。引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲。換句話說(shuō)，在廣義相對(duì)論中，“引力”并不存在，太陽(yáng)和地球之所以相互吸引，是因?yàn)樘?yáng)將其周?chē)臅r(shí)空彎曲了，而后地球不得不沿著彎曲了的時(shí)空運(yùn)動(dòng)，就像軌道已經(jīng)鋪設(shè)好了，火車(chē)只能沿著軌道運(yùn)動(dòng)一樣。太陽(yáng)為什么能將時(shí)空彎曲呢？因?yàn)樘?yáng)有質(zhì)量，有質(zhì)量的物體都能將時(shí)空彎曲。

這一驚人的理論是20世紀(jì)物理學(xué)兩次革命中的第一次。第二次是量子理論。量子理論涉及自然界的微觀領(lǐng)域。量子理論向我們展示了這個(gè)世界與我們的日常世界迥然不同。在微觀世界，很多事情我們不能給出一個(gè)確切的結(jié)果，只能給出一個(gè)概率。譬如，微觀粒子在同一時(shí)刻既可以在這里，又可以在那里。問(wèn)它確切地在什么地方已經(jīng)沒(méi)有什么意義。我們只能說(shuō)，它在A位置的概率是多少，在B位置的概率是多少，如此等等。這些想法雖然奇怪，但經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的檢驗(yàn)，我們知道量子理論是正確的。

因此，量子理論對(duì)基本作用力的解釋同樣值得我們認(rèn)真對(duì)待。量子理論將每一種基本作用力解釋成量子場(chǎng)和傳遞量子場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)玻色子（玻色子是一類(lèi)自旋為整數(shù)的粒子，自旋為半整數(shù)的粒子稱(chēng)為費(fèi)米子）。譬如說(shuō)，電磁力對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)和光子。當(dāng)光子在兩個(gè)帶電粒子之間拋來(lái)拋去時(shí)，就產(chǎn)生了電磁力。

量子理論還說(shuō)，每一種基本作用力的范圍與傳遞該力的玻色子的質(zhì)量成反比。譬如，傳遞核力的玻色子質(zhì)量大，所以核力的作用范圍限制在原子核內(nèi);傳遞電磁力的光子質(zhì)量為零，所以電磁力的作用范圍無(wú)限大。這就是我們?yōu)槭裁茨芸吹接钪媪硪活^的星星的原因。如果光子有質(zhì)量，它就不會(huì)傳播得這么遠(yuǎn)。

雖然目前我們還沒(méi)有一個(gè)滿意的量子引力理論，但我們確信，引力最終也必須通過(guò)量子場(chǎng)來(lái)描述。這意味它有一個(gè)傳播相互作用的玻色子。我們稱(chēng)這個(gè)粒子為“引力子”。

引力子不應(yīng)該有質(zhì)量

我們不知道引力子是否存在，但有證據(jù)強(qiáng)烈地暗示，引力子是存在的。譬如，2015年，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到了引力波。這表明，引力場(chǎng)可以像電磁場(chǎng)一樣有波動(dòng)。盡管到目前為止，引力波還沒(méi)有顯示出任何粒子行為的跡象，但根據(jù)量子理論所描述的波粒二象性，有引力波就有引力子。當(dāng)初，光的粒子性也是在我們知道了光是一種波動(dòng)之后很久才發(fā)現(xiàn)的。

考慮到引力像光一樣在宇宙的尺度上發(fā)生影響，所以引力子要么是質(zhì)量為零，要么有質(zhì)量但非常輕。那么，到底是哪一種情況呢？這個(gè)問(wèn)題看似天真，實(shí)則很重要，因?yàn)榇鸢笇⒔沂疽κ侨绾卧谧畲蟪叨壬瞎ぷ鞯?，以及引力波以多大的速度傳播?/p>

一個(gè)直接的結(jié)果是，如果引力子沒(méi)有質(zhì)量，它將會(huì)以光速運(yùn)動(dòng);如果它有質(zhì)量，它的速度就會(huì)低于光速。

此外，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)假設(shè)引力子有質(zhì)量時(shí)，他們無(wú)法避開(kāi)一個(gè)“幽靈”：一種負(fù)能量粒子。

我們身邊的粒子，哪怕是會(huì)跟正粒子湮滅的反物質(zhì)粒子，能量都是正的。物理學(xué)家們還說(shuō)，真空也是有能量的。這個(gè)能量也是正的。所以，目前沒(méi)有任何物質(zhì)的能量是負(fù)的。如果存在負(fù)能量粒子，那可就麻煩了。它會(huì)跟任何正常粒子發(fā)生湮滅，湮滅之后歸于烏有，一點(diǎn)東西都不會(huì)留下。再說(shuō)，它若存在，總要存在于某個(gè)空間吧?？墒钦婵站哂姓芰?，同樣要跟它湮滅。所以，它的存在根本無(wú)從談起。

這一切意味著，“存在負(fù)能量粒子”這種說(shuō)法本身就是自相矛盾的，這個(gè)矛盾來(lái)自引力子有質(zhì)量的假設(shè)，所以引力子不能有質(zhì)量。

這是幾十年前的結(jié)論。

如果引力子是有質(zhì)量的

不過(guò)，最近英國(guó)物理學(xué)家克勞迪婭·拉姆和她的同事提出一個(gè)新的引力理論，該理論在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上引入額外的空間維度，結(jié)果他們做到了在讓引力子有質(zhì)量的同時(shí)，又避免出現(xiàn)幽靈般的負(fù)能量粒子。

如果他們的理論是正確的，引力子確有質(zhì)量，那這個(gè)結(jié)果將影響深遠(yuǎn)。從宇宙早期的演化，到行星運(yùn)動(dòng)和宇宙未來(lái)的命運(yùn)，都要受其影響。甚至月球的軌道也會(huì)受到影響：月球每個(gè)月要離地球近大約1納米。

更深刻的是對(duì)引力波速度的影響。如果引力子有質(zhì)量，除了它的運(yùn)動(dòng)速度低于光速，它還可以以不同的速度運(yùn)動(dòng)。

如何理解這一點(diǎn)？以光為例。我們知道，各種波長(zhǎng)的光在真空中都以光速傳播?？墒?，一旦進(jìn)入介質(zhì)，譬如水中，首先是光的傳播速度慢了下來(lái);其次是不同波長(zhǎng)的光，速度也變得不一樣。我們可以這樣來(lái)理解：光的速度之所以慢下來(lái)了，是因?yàn)榇藭r(shí)光子具有了靜止質(zhì)量;不同波長(zhǎng)的光傳播速度之所以變得不一樣，是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的光子具有不同的靜止質(zhì)量。

反映光的這一現(xiàn)象的最好例子是彩虹：原先混在一起的不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，經(jīng)過(guò)小水滴，由于速度的降幅不一樣，結(jié)果就分開(kāi)來(lái)，讓我們看到各種顏色的光帶。

類(lèi)似于光的情況，如果引力子有質(zhì)量，也將發(fā)生“引力彩虹”現(xiàn)象。譬如兩個(gè)黑洞碰撞，在時(shí)空中產(chǎn)生了不同波長(zhǎng)的引力波。它們開(kāi)始是混在一起的，但因?yàn)閭鞑ニ俣炔灰粯樱S后就漸漸分開(kāi)來(lái)了。這種現(xiàn)象，目前的引力波探測(cè)器是沒(méi)能力探測(cè)到的，但未來(lái)的探測(cè)器也許能夠。

總之，不論引力子是否有質(zhì)量，隨著我們成功探測(cè)到引力波，我們對(duì)引力的研究已經(jīng)進(jìn)入新時(shí)代。