引力可能是有質(zhì)量的，這讓我們對引力有一個全新的認識。
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(yù)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(xué)上幾個最偉大的名字聯(lián)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(xiàn)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?！m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(xiàn)有的引力理論或許能讓我們準(zhǔn)確預(yù)測月球的運動，但當(dāng)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(yīng)該考慮，引力本身是有質(zhì)量，或者更確切地說，傳播引力的引力子是有質(zhì)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(xiàn)在，任何有質(zhì)量的物體之間都有引力作用，引力是有質(zhì)量的物體的本質(zhì)屬性。而你試想一下，任何東西可以沒有電荷，但哪會沒有質(zhì)量呢？哪怕像光子這樣靜止質(zhì)量為零的粒子，也有運動質(zhì)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(xiàn)在，引力只跟物體的質(zhì)量有關(guān)，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(tǒng)統(tǒng)無關(guān)。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(dāng)時就已經(jīng)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(zhì)量有關(guān)，與形狀、結(jié)構(gòu)、成分等質(zhì)量以外的屬性無關(guān)。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(jì)后，這兩種普適性成為牛頓提出萬有引力定律的基礎(chǔ)。從本質(zhì)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(yù)測月球和行星的運動。牛頓定律使我們能夠?qū)⒃虑虻亩ㄎ痪_到10厘米以內(nèi)，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(nèi)。
但牛頓引力定律背后有個思想引起了人們的深切關(guān)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(fā)生的。為了知道問題所在，請想象一下太陽突然消失了。根據(jù)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(nèi)，我們腳下的地球已經(jīng)“脫軌”了，而頭頂?shù)奶枀s依然當(dāng)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(jù)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(dāng)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(tǒng)一體，稱之為時空。引力的本質(zhì)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(jīng)鋪設(shè)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(zhì)量，有質(zhì)量的物體都能將時空彎曲。
這一驚人的理論是20世紀(jì)物理學(xué)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(lǐng)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(jié)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(jīng)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(jīng)過半個多世紀(jì)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(shù)的粒子，自旋為半整數(shù)的粒子稱為費米子）。譬如說，電磁力對應(yīng)電磁場和光子。當(dāng)光子在兩個帶電粒子之間拋來拋去時，就產(chǎn)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(zhì)量成反比。譬如，傳遞核力的玻色子質(zhì)量大，所以核力的作用范圍限制在原子核內(nèi)；傳遞電磁力的光子質(zhì)量為零，所以電磁力的作用范圍無限大。這就是我們?yōu)槭裁茨芸吹接钪媪硪活^的星星的原因。如果光子有質(zhì)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(yīng)該有質(zhì)量
我們不知道引力子是否存在，但有證據(jù)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(jù)量子理論所描述的波粒二象性，有引力波就有引力子。當(dāng)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(fā)現(xiàn)的。
考慮到引力像光一樣在宇宙的尺度上發(fā)生影響，所以引力子要么是質(zhì)量為零，要么有質(zhì)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(jié)果是，如果引力子沒有質(zhì)量，它將會以光速運動；如果它有質(zhì)量，它的速度就會低于光速。
此外，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)假設(shè)引力子有質(zhì)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(zhì)粒子，能量都是正的。物理學(xué)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(zhì)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(fā)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(zhì)量的假設(shè)，所以引力子不能有質(zhì)量。
這是幾十年前的結(jié)論。
如果引力子是有質(zhì)量的
不過，最近英國物理學(xué)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(chǔ)上引入額外的空間維度，結(jié)果他們做到了在讓引力子有質(zhì)量的同時，又避免出現(xiàn)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(zhì)量，那這個結(jié)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(zhì)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?？墒?，一旦進入介質(zhì)，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(zhì)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(zhì)量。
反映光的這一現(xiàn)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(jīng)過小水滴，由于速度的降幅不一樣，結(jié)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(zhì)量，也將發(fā)生“引力彩虹”現(xiàn)象。譬如兩個黑洞碰撞，在時空中產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)量，隨著我們成功探測到引力波，我們對引力的研究已經(jīng)進入新時代。
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