科學(xué)史上的最大謎團(tuán)：萬有引力

■劉巖

萬有引力是人類最早認(rèn)識的一種相互作用。1687年，牛頓在其出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(yùn)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(yùn)動規(guī)律。他認(rèn)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(yùn)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(yùn)動軌道和地球上的潮汐現(xiàn)象。

然而，這個(gè)最早被人類所認(rèn)識的相互作用，卻又是困惑人類時(shí)間最久的謎團(tuán)。早在笛卡爾時(shí)代，人類就試圖找到引力的根源，但時(shí)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(jìn)了一步。但是，愛因斯坦的理論仍然是一個(gè)“唯象”的理論，只是將引力問題替換成一種新的表達(dá)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(zhì)量的這一項(xiàng)上，愛因斯坦的理論與牛頓的引力理論相比沒有任何進(jìn)步。

目前，人類已知的所有粒子都有質(zhì)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(zhì)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(xué)希格斯設(shè)想將質(zhì)量的來源假設(shè)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(zhì)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(shè)想在20世紀(jì)80年代被發(fā)揚(yáng)光大。人們拓展了這一理論，甚至在理論上預(yù)言了賦予任何粒子質(zhì)量的粒子——希格斯子。

但是，時(shí)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(rèn)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(shí)至今日，引力的本源問題已經(jīng)成了物理學(xué)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(rèn)識引力，但又將引力的本源深藏于自然的深處，用4個(gè)世紀(jì)的時(shí)光與人類捉迷藏。

目前，理論物理學(xué)家回過頭去整理人類關(guān)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(zhì)量之中，既牛頓萬有引力方程中的引力常數(shù)之中。這個(gè)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(xiàng)中。

現(xiàn)在，人類的認(rèn)識已經(jīng)深入到了構(gòu)成質(zhì)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(zhì)。但是，夸克是由什么構(gòu)成的？夸克的荷電機(jī)制是什么？這些更基本的問題依然沒有答案。

雖然喧鬧一時(shí)的弦理論聲稱可以解釋夸克的性質(zhì)及粒子荷電的機(jī)理，但是，弦理論卻又提供不出任何可供人類從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證這些機(jī)制的可行方法。因此，弦理論似乎更像是“數(shù)學(xué)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(zhì)成了物理學(xué)天空中一團(tuán)最大的迷霧。粒子物理學(xué)的進(jìn)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(fù)雜化了。特別是20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)宇宙暗物質(zhì)之后，引力和暗物質(zhì)之間的關(guān)系更是讓這一謎團(tuán)謎上加謎。可以肯定，暗物質(zhì)和引力的本源有最直接的關(guān)系。但是，暗物質(zhì)是什么？由什么粒子或者什么量子態(tài)構(gòu)成？這些難題更是試圖揭開引力之謎道路上遇到的新謎團(tuán)。

引力似乎成了一個(gè)由謎團(tuán)構(gòu)成的魔盒，打開外面的大盒子，發(fā)現(xiàn)里面又裝著幾個(gè)小盒子；打開一個(gè)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(zhì)已經(jīng)成了挑戰(zhàn)人類智力的最大游戲。這個(gè)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(diǎn)。