引力子真的存在嗎?

在17世紀後期,牛頓提出了萬有引力,把引力描述為無限延伸的場,並解釋了大質量物體的運動,比如地球。牛頓的理論非常的有效,但是他沒有解釋引力場的本質。

直到1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,他認為我們所謂的引力事實上是空間和時間的畸變。地球看似是沿著橢圓軌道繞太陽運行,實際上它是沿著彎曲時空中的直線運動。

引力子真的存在嗎?

引力子真的存在嗎?

愛因斯坦的引力理論在解釋大質量物體的行為非常的成功。但是幾年後,物理學家打開了一扇奇異的新世界:量子世界。這使科學家發現支配宇宙的其它三種基本力其實是由一種載力粒子(稱為玻色子)的交換而產生的:光子傳達電磁力,強核力是由膠子傳遞的,弱核力的攜帶粒子則是W和Z玻色子。這些都已經被實驗嚴格的證明了。

那麼,物理學家自然要問,引力是否也是由某種粒子交換而產生的?為了連接引力和量子理論,物理學家提出了一種全新的假想粒子——引力子。雖然我們還從未觀測到一個引力子,但是我們已經對它有足夠的瞭解,如果它是真實存在的。

首先,由於引力的作用範圍是無限的,並且引力隨著反平方定律衰減(即 F ∝ 1/r),因此引力子必須是零質量的。我們之所以知道是因為如果光子有質量,就會改變指數上的“2”,而“2”是被實驗嚴格驗證的。就跟光子一樣,引力子也以光速傳播。

在廣義相對論中,宇宙中質量和能量的分佈是由一個 4×4 的矩陣所描述,數學家稱之為二階張量。這很重要,因為如果張量是引力的來源,我們就會發現引力子必須是一個量子自旋為2的粒子。如果你觀測到一個無質量、自旋為2的粒子,那麼你就找到了引力子。

引力子真的存在嗎?

引力子真的存在嗎?

那為什麼還沒有人找到引力子?主要的問題是,引力太弱了。

舉個例子,在氫原子中,一個電子和一個質子之間的電磁力要比它們之間的引力強上10^39倍(如上方程)。一個更直觀的例子是磁鐵和曲別針的行為:一個磁鐵可以對抗整個地球的引力,將曲別針吸引住。仔細想想你就會知道這意味著什麼,一個你可以輕易握在手上的磁鐵將曲別針往上吸,而整個星球的引力將它往下拉,磁鐵依然獲勝。也就是說一個單獨的引力子是非常非常微弱的,這使一些科學家認為幾乎不可能直接探測到這樣的一個引力子。

但是我們對引力有一些新的想法。引力子或許是可以被探測到的,這需要我們對宇宙有一個全新的理解方式。

有一些科學家認為引力只在我們生活的這個三維世界看起來很弱。不像其它的基本力,引力其實是可以傳播到額外的維度。但是這些額外的維度被捲曲的非常的小,以至於我們無法察覺。現在,我們想象一根拉緊的繩索,對於一個走鋼絲的人,它只能沿著繩索往前或往後走,繩索是一維的。但是對於螞蟻來說,它們可以沿著繩索的周長四處亂爬,繩索看起來就是二維的。對於人類來說是一維的繩索,對於小生物卻是二維的。

引力子真的存在嗎?

引力子真的存在嗎?

量子力學告訴我們所有的粒子也是振動波,物理學家認為引力子可以在這些額外的維度中振動,這些維度的彎曲就像是手鐲繞著纖細的手腕。但是,額外維度的循環本質也對引力子如何振動施加了限制。只有整數的波長才可以均勻在額外維傳播。

這也帶來了一些有趣的結果。理論上,在額外維中存在著不止一種類型的引力子,不同整數的波長就是一種不同的引力子。振動的越厲害的引力子可以具有質量,這樣的粒子被稱為 Kaluza-Klein 引力子。Theodor Kaluz 和 Oskar Klein 是第一個提出具有額外空間維度的科學家)。在很小的尺度下,Kaluza-Klein引力子可以具有質量;但是在大尺度下, 它們就會變成經典理論所認為的零質量。

事實上,KK理論的額外維想法在後來一直被忽略,直到弦理論的出現。弦理論是目前最被看好的量子引力理論,最有希望能夠統一量子理論和廣義相對論。在弦理論中,宇宙有10個空間維度和1個時間維度。今天,有許多的物理學家都在尋找引力子,比如大型強子對撞(LHC)的其中一個目標就是尋找額外的捲曲維。但到目前為止,他們一無所獲。

所以如果你聽到某人說“引力子是產生引力的粒子”,記住,這是一個合理的陳述,但並不是廣泛被接受的想法。科學家的最終目標就是能夠將量子力學和廣義相對論統一起來,因此持續的尋找引力子扮演者至關重要的角色,儘管要確鑿的證明引力子的存在似乎還需要很長的一段時間。


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