引力与量子理论的桥梁——引力子

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在17世纪后期,牛顿提出了万有引力,把引力描述为无限延伸的场,并解释了大质量物体的运动,比如地球。牛顿的理论非常的有效,但是他没有解释引力场的本质。

直到1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,他认为我们所谓的引力事实上是空间和时间的畸变。地球看似是沿着椭圆轨道绕太阳运行,实际上它是沿着弯曲时空中的直线运动。

时空弯曲

大质量物体使时空弯曲。(图片来源:T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab)

爱因斯坦的引力理论在解释大质量物体的行为非常的成功。但是几年后,物理学家打开了一扇奇异的新世界:量子世界。这使科学家发现支配宇宙的其它三种基本力其实是由一种载力粒子(称为玻色子)的交换而产生的:光子传达电磁力,强核力是由胶子传递的,弱核力的携带粒子则是W和Z玻色子。这些都已经被实验严格的证明了。

那么,物理学家自然要问,引力是否也是由某种粒子交换而产生的?为了连接引力和量子理论,物理学家提出了一种全新的假想粒子——引力子。虽然我们还从未观测到一个引力子,但是我们已经对它有足够的了解,如果它是真实存在的。

引力子

是否存在引力子?(图片来源: Christoph Zurbuchen)

首先,由于引力的作用范围是无限的,并且引力随着反平方定律衰减(即 F ∝ 1/r²),因此引力子必须是零质量的。我们之所以知道是因为如果光子有质量,就会改变指数上的“2”,而“2”是被实验严格验证的【文献1】。就跟光子一样,引力子也以光速传播。

反平方定律

引力的反平方定律。(图片来源:Hyperphysics)

在广义相对论中,宇宙中质量和能量的分布是由一个 4×4 的矩阵所描述,数学家称之为二阶张量。这很重要,因为如果张量是引力的来源,我们就会发现引力子必须是一个量子自旋为2的粒子(温伯格在【文献2】中提供了证明)。如果你观测到一个无质量、自旋为2的粒子,那么你就找到了引力子。

那为什么还没有人找到引力子?主要的问题是,引力太弱了。

计算

举个例子,在氢原子中,一个电子和一个质子之间的电磁力要比它们之间的引力强上10^39倍(如上方程)。一个更直观的例子是磁铁和曲别针的行为:一个磁铁可以对抗整个地球的引力,将曲别针吸引住。仔细想想你就会知道这意味着什么,一个你可以轻易握在手上的磁铁将曲别针往上吸,而整个星球的引力将它往下拉,磁铁依然获胜。也就是说一个单独的引力子是非常非常微弱的,这使一些科学家认为几乎不可能直接探测到这样的一个引力子【文献3】。

但是我们对引力有一些新的想法。引力子或许是可以被探测到的,这需要我们对宇宙有一个全新的理解方式。

有一些科学家认为引力只在我们生活的这个三维世界看起来很弱。不像其它的基本力,引力其实是可以传播到额外的维度。但是这些额外的维度被卷曲的非常的小,以至于我们无法察觉。现在,我们想象一根拉紧的绳索,对于一个走钢丝的人,它只能沿着绳索往前或往后走,绳索是一维的。但是对于蚂蚁来说,它们可以沿着绳索的周长四处乱爬,绳索看起来就是二维的。对于人类来说是一维的绳索,对于小生物却是二维的。

卷曲的维度

在时空的每一点都有个额外的卷曲的维度。(图片来源:文献3)

量子力学告诉我们所有的粒子也是振动波,物理学家认为引力子可以在这些额外的维度中振动,这些维度的弯曲就像是手镯绕着纤细的手腕。但是,额外维度的循环本质也对引力子如何振动施加了限制。只有整数的波长才可以均匀在额外维传播。

科学家

Theodor Kaluza (左) 和 Oskar Klein (右)。(图片来源:文献3)

这也带来了一些有趣的结果。理论上,在额外维中存在着不止一种类型的引力子,不同整数的波长就是一种不同的引力子。振动的越厉害的引力子可以具有质量,这样的粒子被称为 Kaluza-Klein 引力子。Theodor Kaluz 和 Oskar Klein 是第一个提出具有额外空间维度的科学家(详见KK理论,文献【4】)。在很小的尺度下,Kaluza-Klein 引力子可以具有质量;但是在大尺度下, 它们就会变成经典理论所认为的零质量。

事实上,KK理论的额外维想法在后来一直被忽略,直到弦理论的出现。弦理论是目前最被看好的量子引力理论,最有希望能够统一量子理论和广义相对论。在弦理论中,宇宙有10个空间维度和1个时间维度。今天,有许多的物理学家都在寻找引力子,比如大型强子对撞(LHC)的其中一个目标就是寻找额外的卷曲维。但到目前为止,他们一无所获。

所以如果你听到某人说“引力子是产生引力的粒子”,记住,这是一个合理的陈述,但并不是广泛被接受的想法。科学家的最终目标就是能够将量子力学和广义相对论统一起来,因此持续的寻找引力子扮演者至关重要的角色,尽管要确凿的证明引力子的存在似乎还需要很长的一段时间。

参考文献

【1】http://123.physics.ucdavis.edu/week_4_files/photon-rest-mass.pdf

【2】Phys.Rev. 138 (1965), B988-B1002

【3】https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0601043v3.pdf

【4】http://mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2011_2012/KaluzaKlein_theory.pdf

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