你的直觉可能是,引力是四种力中最强的,但实际上,它比弱核力还要弱约一万亿倍。但引力仍然是一种不可忽视的力(不用谢),因为它的范围无边无际,作用于任何物体。引力非常贪婪,夸克、轻子、胶子、光子、W玻色子、Z玻色子和希格斯玻色子都被它吸引。
强核力、弱核力与电磁力欢快地从一个粒子跳跃到另一个粒子,它们几乎没有注意到潜伏在阴影之中的引力。引力巧妙而不动声色地把各种事物连在一起,让它们没有懊悔的余地,也无法逃离,哪怕是光,哪怕是时间,都无法摆脱引力。
现在,当你坐着阅读的时候,你手上的这本书正在通过引力吸引你的脸,你的脸也在吸引这本书。你不会注意到这么小的引力,因为需要行星那么大的引力才能产生重要的效果。但你周围的一切事物都在非常缓慢地向其他一切事物坍塌。
你可以小规模地短暂地克服引力—磁铁可以轻易地把回形针从地上吸起来,但当你放眼全局,会发现引力正在把所有事物拉向地表,要克服这种引力需要付出极大的努力。
其他三种力可以通过引入在物质间移动的虚粒子来解释,因此我们也可以引入一个类似的粒子来解释引力:引力子。
然而,我们很难发现引力子,因为引力非常弱。要产生足够的能量来扰动这个场,我们需要一个星系规模的粒子对撞机。就算我们这样做了,碰撞产生的庞大能量将在撞击点形成一个黑洞,黑洞会吸入所有引力子,我们永远也看不见它们。除非我们能找到另一种探测粒子和场的方法,否则引力子将永远隐藏。
找不同
引力在许多方面与其他三种力不同。引力与这三种力之间有一点不对称(就像电磁力与弱核力彼此有一点不对称),而且它是物理学中无可争议的卡西莫多(2)。下面是我们谈到引力时遇到的麻烦。
1.引力比其他三种力更弱,相差的量非常惊人。其他三种力的强度相当于在一根绳子上插大头针,我们可以把它们都放在1厘米之内,因为它们的力量是相当的。而引力的大头针应该放在仙女座星系的某个地方。(3)
2.利用量子场论,我们可以预测真空中包含多少能量(把所有虚粒子加在一起)。真空中的总能量大约相当于10105焦耳每立方厘米,然而我们通过观测星系中引力的作用,实际测量到的能量是10-15焦耳每立方厘米。量子场论的预测值与引力场的测量值相差几亿万万倍。我们已经知道,量子场论“自诩”是所有科学中最精确的预测,可一旦把引力纳入其中,它就成了科学中最糟糕的预测。
3.费米子(夸克、电子和中微子等物质粒子)的特征之一是占据空间。这种特性叫“泡利不相容原理”,它是一种粒子属性,即粒子的能量和位置是独有的。费米子竭尽所能地保持分离,但当黑洞中有足够的引力时,粒子就会被强行压在一起。在量子场论中,泡利不相容原理是不可违背的,而引力理论很轻易地打破了这一点。
4.爱因斯坦的广义相对论描述了引力的原理,它涉及能量、质量、时间、光和空间。官方记录表明,爱因斯坦在1916年提出这一理论,但很少有人知道,他在1912年就提出了这个方程,只是悄悄地舍弃了它,[2]原因也许是他觉得这是错的。
广义相对论描述了物体周围时空弯曲而产生的畸变,我们视之为“引力”。这个理论与实验完美贴合。广义相对论基于一个关键的假设:空间中每一点都是平滑的,并且有一个明确的值。然而,在量子力学中,海森堡不确定性原理认为这是不可能的。所有场和粒子都在振动,这意味着任何东西都不可能是光滑的。引力子必须遵循海森堡不确定性原理,但引力本身显然不遵循。
5.其他三种力的场坐落在真空的背景之下,粒子可以被挤出,但场的形状遵从可感知的几何形状。然而在广义相对论中,空间可以弯曲。
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