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引力子是基本粒子還是漫畫中的超級惡棍?

有兩個原因使得引力不能用量子力學解釋。第一,如果要把引力融入標準模型,那么我們需要一種粒子用于引力的傳遞。物理學家創造性地把這種假想的粒子命名為引力子。如果真有這種東西存在,那就意味著,當你坐著或站著被引力吸引的時候,你身體的所有粒子和地球的所有粒子在持續地互相投擲和接收微小的量子球。而地球之所以會圍繞太陽公轉,是因為一股恒定的引力子流在地球和太陽之間互換。問題是,從來沒有人觀測到引力子的存在,所以這個理論也可能完全是錯的。

物理學家不能輕松地將引力量子化的第二個原因是,我們已經有了一個偉大的引力理論,也就是在1915年由愛因斯坦提出來的那個。它叫作廣義相對論,其自身非常完美。廣義相對論從一個全新的角度詮釋引力,認為引力不是兩個物體之間的相互作用,而是空間自身扭曲的效果。這是什么意思呢?愛因斯坦意識到,如果把空間想象成某種動態的流體,或者一塊可以變形的彈性板,而不是某種抽象的概念,也不是躲在物質后面的背景,引力就變得很簡單了。因為質量(或者能量)的存在會彎曲它周圍的空間,從而改變物體的軌跡。在愛因斯坦的理論里,引力不是一種力,它只是時空彎曲的一種體現。

廣義相對論認為,地球之所以會繞著太陽轉而沒有飛向遙遠的太空,并不是因為地球被某種力困在了軌道上。它圍著太陽轉,是因為太陽周圍的空間以這樣一種方式彎曲了—地球以為自己沿著一條直線運動,實際上它沿著一個圓(或一個橢圓)運動。這樣一來,引力質量不再被看作部分粒子有部分粒子沒有的特殊荷子,它衡量的是一個物體可以多大程度地彎曲它周圍的空間。盡管這個說法聽起來很怪異,但這成功地解釋了局部引力、宇宙尺度的引力,以及很多在太空中看到的奇異現象。這可以解釋光線經過天體后的偏轉和GPS的工作原理,還曾預言了黑洞的存在。

這里的問題在于,廣義相對論非常完美,我們覺得它很可能是對自然的正確解釋。可是,另一個基礎理論—量子力學—似乎也是對自然的正確解釋,但我們還沒有辦法把它們合并到一起。

這兩套理論之所以很難統一,一部分原因在于它們從完全不同的視角理解這個世界。量子力學把空間看作平坦的背景,而廣義相對論卻認為空間是動態的、有彈性的事物(時空)。那么,引力究竟是一種時空彎曲現象,還是粒子之間飛來飛去的量子小球造成的?如果我們的宇宙中除了引力之外所有的東西都是符合量子力學的,那么引力也應該遵循同樣的規則。然而到目前為止還沒有確鑿的證據表明引力子是真實存在的。

更大的問題在于,我們甚至無法想象這兩套理論合二為一之后,量子引力理論會是什么樣子。物理學家常常用理論預測某種粒子的存在,然后通過實驗找到實證,頂夸克和希格斯玻色子都是這樣被發現的。但在統一兩套理論上,人們卻沒有成功過,只是不斷拋出一些荒唐的結論,比如“無窮大量”。(理論上來說)理論學家是一群聰明人,他們也有一些好點子,也許在之后的某天,這些點子會幫助人們完成統一的理論—比如弦論或者圈量子引力—但平心而論,現在人們的進展太慢了。第16章會有更多關于統一理論的內容。

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