神秘的引力

■ 陳壯叔

引力是什么？

早在20世紀(jì)30年代，科學(xué)界就已經(jīng)知道宇宙中有四種基本力，即引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力（后兩種力在原子核內(nèi)起作用）。其中，第一個(gè)被科學(xué)地探索的力是引力，可是迄今它仍然是一個(gè)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(gè)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(xué)家最終得出結(jié)論：蘋果之所以下落，是因?yàn)榈厍虻囊λ隆０此恼f法，引力是一種力，作用在別的物體上，將使其改變運(yùn)動(dòng)（方向、速度）。牛頓的引力理論，一直被人們有效地應(yīng)用。可是到了20世紀(jì)初葉，愛因斯坦的廣義相對(duì)論問世，事情卻出現(xiàn)了變化。

按相對(duì)論，引力并非像牛頓所描述的那么簡單。在相對(duì)論的框架內(nèi)，引力具有宇宙學(xué)的性質(zhì)，并非是個(gè)別天體（物體）之力。在愛因斯坦的理論中，宇宙結(jié)物（即四維時(shí)空）中充滿了物質(zhì)（能量）的團(tuán)塊，因此空間被這些物質(zhì)團(tuán)塊所彎曲是必然的。無論何物，它打算筆直地通過宇宙，但實(shí)際上它卻是沿著一條曲線在運(yùn)動(dòng)。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(zhì)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(duì)引力做出根本性的解釋。牛頓理論在大尺度空間、高速運(yùn)動(dòng)或強(qiáng)引力場中，才能有效應(yīng)用。盡管有了相對(duì)論，我們迄今尚不知道，物質(zhì)（能量）和時(shí)空相結(jié)合所造成的現(xiàn)象，究竟具有怎樣的本質(zhì)特性。

物理學(xué)家在對(duì)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?cè)O(shè)想，引力也該如此。

但跟科學(xué)家的預(yù)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(dāng)量子場論（現(xiàn)代物理學(xué)中一種十分成功的理論）應(yīng)用于引力時(shí)，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(zhì)。那么，引力為何不如此呢？

這個(gè)答案似乎藏在量子場論之中。按這一理論，這些放射出強(qiáng)、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(fù)，這就導(dǎo)致力的不同符號(hào)（即引力或斥力）。但就理論來說，引力子并非如此，因?yàn)榱Ｗ訂栴}對(duì)應(yīng)為物質(zhì)（能量）的密度，所以永遠(yuǎn)是正的。

但一些科學(xué)家對(duì)此卻有懷疑。惠生說：“其實(shí)我們并不知道，引力是否確切地僅是一種吸引力。”他認(rèn)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(xué)家也猜測(cè)，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。惠生說：“這在基本力中也有先例可循。例如強(qiáng)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。”

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(xué)界正在等待一種新的理論——萬物論，因?yàn)樗軐?duì)所有基本力做出單一理論框架內(nèi)的敘述。現(xiàn)在，極大多數(shù)科學(xué)家都青睞所謂“超對(duì)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(zhì)量較大）。但有的科學(xué)家認(rèn)為，“超對(duì)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(gè)弱者卻支配著宇宙的命運(yùn)。

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(dá)6×1021千克）的引力。它的強(qiáng)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(dú)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(dòng)脈高壓和肺源性心臟病等并發(fā)癥。因?yàn)槔夏耆嘶颊吲K器多數(shù)存在一定損傷,機(jī)體免疫力不高,導(dǎo)致慢性支氣管炎存在反復(fù)發(fā)作,難以治愈的現(xiàn)象。臨床上經(jīng)常使用頭孢等抗生素藥物進(jìn)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(duì)象,現(xiàn)報(bào)道如下。

按現(xiàn)在一種新的理論（強(qiáng)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(shí)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(zhì)間甚小距離上的引力。因此，如果想驗(yàn)證這一理論，目前的方法是測(cè)量相距甚小的兩物體間的引力。科學(xué)界迄今能做到的實(shí)驗(yàn)是相隔0.06毫米，不過沒有找到什么變化。

科學(xué)界還有一個(gè)希望，寄托在歐洲核子研究所身上。它的威力甚大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，在其高速質(zhì)子的碰撞中，質(zhì)子被碰得粉碎從而產(chǎn)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(jì)30年代，當(dāng)時(shí)有些理論家想把電磁力和引力聯(lián)系起來。德國數(shù)學(xué)家西奧多·卡魯扎和瑞典物理學(xué)家奧斯卡·克萊因熱衷此道，他們認(rèn)為，當(dāng)普通粒子進(jìn)入其他維空間時(shí)，會(huì)發(fā)出“回聲”，表明自己是一個(gè)更重的粒子。科學(xué)界稱此為卡魯扎—克萊因態(tài)。因此，若在對(duì)撞機(jī)的強(qiáng)子對(duì)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(diào)整的那么好？

要感謝引力的微弱，如果它稍微強(qiáng)一點(diǎn)，我們就不會(huì)存在于這個(gè)世界之中。在宇宙誕生的一瞬間，它產(chǎn)生了物質(zhì)（它的更一般形式是能量）和膨脹著的時(shí)空。只有在這種時(shí)空中，物質(zhì)才能存在。引力把它們拉攏，而空間膨脹卻把物質(zhì)粒子一步步地分散，使其相互間的吸引越來越弱，最終達(dá)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?nèi)祟悾肋h(yuǎn)休想出現(xiàn)；反之，若引力更強(qiáng)，那么所有的物質(zhì)將很快積聚而塌縮，我們的宇宙早該結(jié)束了。

據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，必須在宇宙誕生的第1秒內(nèi)，膨脹便和引力取得平衡，其誤差更在保持在1/1015之內(nèi)，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(diào)整過的，它的誤差小到1/104。這為下一個(gè)自然常數(shù)（普朗克常數(shù)）做好了準(zhǔn)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(guān)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(cè)出，這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的結(jié)果，并非理論有誤。使得科學(xué)界感到困惑的，倒不是G的難測(cè)，而是這個(gè)G值到底來自何處？為何此值允許宇宙中出現(xiàn)生命？

一個(gè)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(huì)在這里觀察它了。至于更深的答案，沒有人知道。劍橋大學(xué)的拜羅說：“我們能測(cè)出其值，卻不知道它從何而來。也許我們永遠(yuǎn)也不可能解釋任何一個(gè)自然常數(shù)。”

引力是生命的必需品？

植物在空間生長，其根便會(huì)迷失方向，致使其無法有效地吸取養(yǎng)分和水，缺乏淀粉產(chǎn)物，是這種有害效應(yīng)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(dá)都有異于常規(guī)的基因。

動(dòng)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(gè)事態(tài)會(huì)怎么樣發(fā)展。加拿大生物學(xué)家華塞沙格說：“我們具有動(dòng)物存活在空間達(dá)半個(gè)世紀(jì)的記錄，但我們卻沒有單個(gè)哺乳動(dòng)物的整個(gè)生命周期在空間如何存活的記錄。”

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(hào)航天飛機(jī)上曾做過一次實(shí)驗(yàn)，研究鵪鶉胚胎的發(fā)育情況，結(jié)果16個(gè)胚胎沒有一個(gè)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(duì)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(huì)為自身做平衡和取向，從而導(dǎo)致覓食困難。

對(duì)人類來說，呼吸上也會(huì)產(chǎn)生問題。在空間，宇航員的肺容量會(huì)減小，這是因?yàn)闆]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(jìn)一步減小了肺容量。這對(duì)短時(shí)間的空間旅行來說問題還不算嚴(yán)重，可如果一個(gè)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(chǎn)生嚴(yán)重的問題。例如，他無法將他的肺咳得清潔，而且當(dāng)他進(jìn)入性成熟期后，可能招致危險(xiǎn)。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(jìn)行的檢查表明，人在微重力中，肌肉也會(huì)受到嚴(yán)重的損害；而對(duì)婦女來說，在微重力的環(huán)境下很難自然分娩。”

華塞沙格說，長期留在空間會(huì)有什么后果現(xiàn)在還不完全清楚，“因?yàn)槲覀儗?duì)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(guān)于建立一個(gè)引力屏障的討論已經(jīng)有許多年了，不過它一直存在于科幻的園地，實(shí)際上還沒有人真打算去做。俄羅斯科學(xué)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(gè)旋轉(zhuǎn)著的陶瓷超導(dǎo)體圓盤周圍測(cè)物體重量時(shí)，將減少2%。

2003年，澳大利亞研究中心的坦杰曼，在他的研究報(bào)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(shí)驗(yàn)。此后，他和歐洲空間局宣稱，他們?cè)谝粋€(gè)旋轉(zhuǎn)著的超導(dǎo)體附近的確測(cè)得一種效應(yīng)，可以影響到引力。但其他研究者也做了類似的實(shí)驗(yàn)，不過未獲成功。

從理論上說，相對(duì)論并不排除這種可能性：因引力而被彎曲的時(shí)空，可以不被彎曲。密蘇里大學(xué)的物理學(xué)家麥里霍恩說：“通過適當(dāng)?shù)匕才牛锌赡芟ɑ蚣訌?qiáng)）引力效應(yīng)。”

他在談?wù)撈鋵?shí)驗(yàn)時(shí)說，這涉及一種所謂的引力—磁效應(yīng)。根據(jù)相對(duì)論，旋轉(zhuǎn)物體的質(zhì)量將抓住其周圍的時(shí)空，使其旋轉(zhuǎn)。正如一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電荷產(chǎn)生一個(gè)磁場那樣，旋轉(zhuǎn)著的質(zhì)量將產(chǎn)生一個(gè)引力—磁場。

既然如此，我們?cè)谡鎸?shí)世界中應(yīng)該能找到這種效應(yīng)。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(cè)到這類現(xiàn)象。對(duì)此，麥里霍恩并不感到奇怪，他說：“在粒子領(lǐng)域中，相對(duì)論性效應(yīng)極為微弱。”

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

量子引力理論？

量子力學(xué)和相對(duì)論，是我們描述世界最成功的兩個(gè)理論，可是這二者跟我們體驗(yàn)到的日常世界，卻奇怪地不一致，同時(shí)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(shí)處在兩個(gè)位置上，或處于兩個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)方向。

在相對(duì)論看來，我們的時(shí)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(shí)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(duì)論和量子理論結(jié)合起來，以形成一個(gè)量子引力理論的方法。愛因斯坦是第一位科學(xué)家，他企圖把引力理論跟其他物理理論相結(jié)合。但直到今天，我們還是沒能比愛因斯坦走得更遠(yuǎn)一些。現(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(xué)界并不氣餒。加拿大物理學(xué)家斯摩林說：“我堅(jiān)信，以我們的智慧，一定能完全了解我們所在的宇宙。”

按牛津大學(xué)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?yàn)樗鼈兒鲆暳艘恍┲匾默F(xiàn)象，比如量子世界奇異行為的奧秘。他說：“應(yīng)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。”

也許派恩路斯的看法是正確的。這意味著，科學(xué)界還得花上較長時(shí)間的努力。