萬有引力之虹

石無魚

月球距離地球約384400千米，它在太空中悄無聲息地運行著。實際上，我們不僅僅知道它的距離，還確切知道月球每一時刻在哪里，以及下一刻它將走什么路徑。我們的預測精度能達到1毫米。

支配著月球運行的是萬有引力定律。我們對引力的認識，跟物理學上幾個最偉大的名字聯系在一起：伽利略、牛頓和愛因斯坦。迄今，描述引力最成功的是愛因斯坦的廣義相對論。

但現在有兩個問題：廣義相對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，這與引力使宇宙萬物相吸相聚的圖景相悖——雖然我們將宇宙加速膨脹歸因于暗能量，但暗能量是什么，至今八字沒一撇。

所以，現有的引力理論或許能讓我們準確預測月球的運動，但當談到更廣闊的宇宙時，也許遺漏了一些東西。

那會是什么呢？有人認為，或許我們應該考慮，引力本身是有質量，或者更確切地說，傳播引力的引力子是有質量的。

引力簡史

與電磁力等其他基本作用力相比，引力最顯著的一點是，它是普適的。它的普適性首先表現在，任何有質量的物體之間都有引力作用，引力是有質量的物體的本質屬性。而你試想一下，任何東西可以沒有電荷，但哪會沒有質量呢？哪怕像光子這樣靜止質量為零的粒子，也有運動質量。所以，引力的作用對象遍及宇宙萬物。

引力的普適性還表現在，引力只跟物體的質量有關，至于物體帶不帶電荷，光滑還是粗糙，堅硬還是柔軟，白的還是黑的，這些屬性跟引力都統統無關。歷史上，是伽利略第一次知道這一點的。不管他是否真的做過比薩斜塔實驗，他當時就已經認識到，地球上的每一個物體都以同樣的方式感受地球引力。這“同樣的方式”就是指引力只跟質量有關，與形狀、結構、成分等質量以外的屬性無關。事實上，如果沒有空氣阻力，從同樣高度同時松手，一把錘子和一根羽毛會同時掉到地上。我們在沒有空氣阻力的月球上做了這個實驗，證明伽利略是對的。

一個世紀后，這兩種普適性成為牛頓提出萬有引力定律的基礎。從本質上說，正是牛頓的萬有引力定律使我們能夠以如此驚人的精度預測月球和行星的運動。牛頓定律使我們能夠將月球的定位精確到10厘米以內，而愛因斯坦廣義相對論引入的修正則使精度提高到1毫米以內。

但牛頓引力定律背后有個思想引起了人們的深切關注。這就是牛頓的超距作用思想，即認為引力作用是不需要時間，瞬間發生的。為了知道問題所在，請想象一下太陽突然消失了。根據牛頓的說法，地球立刻就能感覺到失去了太陽引力，所以立刻就偏離了軌道。但我們知道，光的傳播是需要時間的，從太陽到地球需要8分20秒左右。這樣一來，在那8分20秒的時間內，我們腳下的地球已經“脫軌”了，而頭頂的太陽卻依然當空照耀。這是不是有些古怪？

牛頓的超距作用思想后來被愛因斯坦推翻了。根據相對論，沒有什么能比光運動得更快，甚至連引力也不例外。愛因斯坦還證明，牛頓的引力定律只有在引力場弱的時候才成立。當物體運動接近光速或者引力場強的時候，就需要用廣義相對論來描述引力了。

引力如何工作的？

那么引力是如何工作的呢？這個問題牛頓的理論幾乎不涉及，但愛因斯坦給了我們一個答案。

廣義相對論把空間和時間描繪成一個統一體，稱之為時空。引力的本質是時空彎曲。換句話說，在廣義相對論中，“引力”并不存在，太陽和地球之所以相互吸引，是因為太陽將其周圍的時空彎曲了，而后地球不得不沿著彎曲了的時空運動，就像軌道已經鋪設好了，火車只能沿著軌道運動一樣。太陽為什么能將時空彎曲呢？因為太陽有質量，有質量的物體都能將時空彎曲。

這一驚人的理論是20世紀物理學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域。量子理論向我們展示了這個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確切的結果，只能給出一個概率。譬如，微觀粒子在同一時刻既可以在這里，又可以在那里。問它確切地在什么地方已經沒有什么意義。我們只能說，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，但經過半個多世紀的檢驗，我們知道量子理論是正確的。

因此，量子理論對基本作用力的解釋同樣值得我們認真對待。量子理論將每一種基本作用力解釋成量子場和傳遞量子場的一個或多個玻色子（玻色子是一類自旋為整數的粒子，自旋為半整數的粒子稱為費米子）。譬如說，電磁力對應電磁場和光子。當光子在兩個帶電粒子之間拋來拋去時，就產生了電磁力。

量子理論還說，每一種基本作用力的范圍與傳遞該力的玻色子的質量成反比。譬如，傳遞核力的玻色子質量大，所以核力的作用范圍限制在原子核內;傳遞電磁力的光子質量為零，所以電磁力的作用范圍無限大。這就是我們為什么能看到宇宙另一頭的星星的原因。如果光子有質量，它就不會傳播得這么遠。

雖然目前我們還沒有一個滿意的量子引力理論，但我們確信，引力最終也必須通過量子場來描述。這意味它有一個傳播相互作用的玻色子。我們稱這個粒子為“引力子”。

引力子不應該有質量

我們不知道引力子是否存在，但有證據強烈地暗示，引力子是存在的。譬如，2015年，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測到了引力波。這表明，引力場可以像電磁場一樣有波動。盡管到目前為止，引力波還沒有顯示出任何粒子行為的跡象，但根據量子理論所描述的波粒二象性，有引力波就有引力子。當初，光的粒子性也是在我們知道了光是一種波動之后很久才發現的。

考慮到引力像光一樣在宇宙的尺度上發生影響，所以引力子要么是質量為零，要么有質量但非常輕。那么，到底是哪一種情況呢？這個問題看似天真，實則很重要，因為答案將揭示引力是如何在最大尺度上工作的，以及引力波以多大的速度傳播。

一個直接的結果是，如果引力子沒有質量，它將會以光速運動;如果它有質量，它的速度就會低于光速。

此外，物理學家發現，當假設引力子有質量時，他們無法避開一個“幽靈”：一種負能量粒子。

我們身邊的粒子，哪怕是會跟正粒子湮滅的反物質粒子，能量都是正的。物理學家們還說，真空也是有能量的。這個能量也是正的。所以，目前沒有任何物質的能量是負的。如果存在負能量粒子，那可就麻煩了。它會跟任何正常粒子發生湮滅，湮滅之后歸于烏有，一點東西都不會留下。再說，它若存在，總要存在于某個空間吧。可是真空具有正能量，同樣要跟它湮滅。所以，它的存在根本無從談起。

這一切意味著，“存在負能量粒子”這種說法本身就是自相矛盾的，這個矛盾來自引力子有質量的假設，所以引力子不能有質量。

這是幾十年前的結論。

如果引力子是有質量的

不過，最近英國物理學家克勞迪婭·拉姆和她的同事提出一個新的引力理論，該理論在廣義相對論的基礎上引入額外的空間維度，結果他們做到了在讓引力子有質量的同時，又避免出現幽靈般的負能量粒子。

如果他們的理論是正確的，引力子確有質量，那這個結果將影響深遠。從宇宙早期的演化，到行星運動和宇宙未來的命運，都要受其影響。甚至月球的軌道也會受到影響：月球每個月要離地球近大約1納米。

更深刻的是對引力波速度的影響。如果引力子有質量，除了它的運動速度低于光速，它還可以以不同的速度運動。

如何理解這一點？以光為例。我們知道，各種波長的光在真空中都以光速傳播。可是，一旦進入介質，譬如水中，首先是光的傳播速度慢了下來;其次是不同波長的光，速度也變得不一樣。我們可以這樣來理解：光的速度之所以慢下來了，是因為此時光子具有了靜止質量;不同波長的光傳播速度之所以變得不一樣，是因為不同波長的光子具有不同的靜止質量。

反映光的這一現象的最好例子是彩虹：原先混在一起的不同波長的太陽光，經過小水滴，由于速度的降幅不一樣，結果就分開來，讓我們看到各種顏色的光帶。

類似于光的情況，如果引力子有質量，也將發生“引力彩虹”現象。譬如兩個黑洞碰撞，在時空中產生了不同波長的引力波。它們開始是混在一起的，但因為傳播速度不一樣，隨后就漸漸分開來了。這種現象，目前的引力波探測器是沒能力探測到的，但未來的探測器也許能夠。

總之，不論引力子是否有質量，隨著我們成功探測到引力波，我們對引力的研究已經進入新時代。