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，它只是一種熵變現象。

萬有引力定律和廣義相對論對引力的解釋，本質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家楊振寧

目前，引力的理論已經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，統一到同一個框架下，才算是物理學家的終極目標。然而，引力極其“桀驁不馴”，它與其他基本力的統一之路，非常艱難。

物理學家癡迷“統一”

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，是把原子核內中子和質子結合在一起的力;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。

正如數學家癡迷于各種數學形式的“對稱美”一樣，物理學家致力于將各種物理理論放在同一個理論框架下，“統一”是物理學家所追求的終極美。四種基本力的發現過程，就是諸多物理領域的統一過程：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律，但是開普勒本人卻不知道三大定律之間的聯系。直到牛頓提出萬有引力定律，才從本質上解釋了開普勒三大定律，第一次統一了天上和地下物體的運動規律。

標準模型

憑借著萬有引力定律和牛頓三大定律，整個經典物理的理論大廈開始被逐步建立——1865年，英國物理學家麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組，完成了電和磁的統一。一切電和磁的規律和現象，都可以由麥克斯韋方程組解釋。

1954年，物理學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，是現代規范場理論的基礎。規范場論比楊-米爾斯理論更近一步，在量子力學的框架下，成功的將電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用統一到了一個模型中，這就是標準模型。

標準模型在微觀領域所向披靡，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果都合乎這套模型的預測。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現，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，首先是數學原因：廣義相對論是無限可分的，是連續性的。而量子力學理論是不連續性的，有最小單位的。其次是物理原因：廣義相對論是經典確定理論，由狀態A可以推論出確定的，唯一的狀態B。量子論是不確定性的，由狀態A到狀態B是不可預知的，是隨機的過程。從廣義相對論出發，研究其他基本力，困難巨大。

標準模型里面統一的三種基本力，均是從量子力學的角度出發。那么從量子力學的角度，統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一。量子力學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，科學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——根據量子力學基本原理，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現。它仍然是一個假想的粒子，有些科學家堅信引力子存在，有些科學家認為引力子根本不可能存在，不同派別的科學家各執一詞。但引力子一旦被發現，物理學界將發生天崩地裂的大變化。

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

量子力學認為，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，量子力學將也許能夠在某種角度上，和廣義相對論產生聯系。但僅僅是產生聯系，量子力學和廣義相對論的根本矛盾不會改變。這個聯系還會帶來更大的疑惑：在量子力學的世界中，任何物理量都是不確定的，由引力子產生的引力場應該是不確定的，但在宏觀現實中，引力場卻是確定的，很難弄明白這樣的引力場如何產生。

引力子究竟存不存在還是未知數，但科學家們不會放棄“統一”的夢想，他們會不斷地嘗試新方法。