万有引力之虹

石无鱼

月球距离地球约384400千米，它在太空中悄无声息地运行着。实际上，我们不仅仅知道它的距离，还确切知道月球每一时刻在哪里，以及下一刻它将走什么路径。我们的预测精度能达到1毫米。

支配着月球运行的是万有引力定律。我们对引力的认识，跟物理学上几个最伟大的名字联系在一起：伽利略、牛顿和爱因斯坦。迄今，描述引力最成功的是爱因斯坦的广义相对论。

但现在有两个问题：广义相对论与描述微观世界的理论——量子理论，并不一致;而且，宇宙正在加速膨胀，这与引力使宇宙万物相吸相聚的图景相悖——虽然我们将宇宙加速膨胀归因于暗能量，但暗能量是什么，至今八字没一撇。

所以，现有的引力理论或许能让我们准确预测月球的运动，但当谈到更广阔的宇宙时，也许遗漏了一些东西。

那会是什么呢？有人认为，或许我们应该考虑，引力本身是有质量，或者更确切地说，传播引力的引力子是有质量的。

引力简史

与电磁力等其他基本作用力相比，引力最显著的一点是，它是普适的。它的普适性首先表现在，任何有质量的物体之间都有引力作用，引力是有质量的物体的本质属性。而你试想一下，任何东西可以没有电荷，但哪会没有质量呢？哪怕像光子这样静止质量为零的粒子，也有运动质量。所以，引力的作用对象遍及宇宙万物。

引力的普适性还表现在，引力只跟物体的质量有关，至于物体带不带电荷，光滑还是粗糙，坚硬还是柔软，白的还是黑的，这些属性跟引力都统统无关。历史上，是伽利略第一次知道这一点的。不管他是否真的做过比萨斜塔实验，他当时就已经认识到，地球上的每一个物体都以同样的方式感受地球引力。这“同样的方式”就是指引力只跟质量有关，与形状、结构、成分等质量以外的属性无关。事实上，如果没有空气阻力，从同样高度同时松手，一把锤子和一根羽毛会同时掉到地上。我们在没有空气阻力的月球上做了这个实验，证明伽利略是对的。

一个世纪后，这两种普适性成为牛顿提出万有引力定律的基础。从本质上说，正是牛頓的万有引力定律使我们能够以如此惊人的精度预测月球和行星的运动。牛顿定律使我们能够将月球的定位精确到10厘米以内，而爱因斯坦广义相对论引入的修正则使精度提高到1毫米以内。

但牛顿引力定律背后有个思想引起了人们的深切关注。这就是牛顿的超距作用思想，即认为引力作用是不需要时间，瞬间发生的。为了知道问题所在，请想象一下太阳突然消失了。根据牛顿的说法，地球立刻就能感觉到失去了太阳引力，所以立刻就偏离了轨道。但我们知道，光的传播是需要时间的，从太阳到地球需要8分20秒左右。这样一来，在那8分20秒的时间内，我们脚下的地球已经“脱轨”了，而头顶的太阳却依然当空照耀。这是不是有些古怪？

牛顿的超距作用思想后来被爱因斯坦推翻了。根据相对论，没有什么能比光运动得更快，甚至连引力也不例外。爱因斯坦还证明，牛顿的引力定律只有在引力场弱的时候才成立。当物体运动接近光速或者引力场强的时候，就需要用广义相对论来描述引力了。

引力如何工作的？

那么引力是如何工作的呢？这个问题牛顿的理论几乎不涉及，但爱因斯坦给了我们一个答案。

广义相对论把空间和时间描绘成一个统一体，称之为时空。引力的本质是时空弯曲。换句话说，在广义相对论中，“引力”并不存在，太阳和地球之所以相互吸引，是因为太阳将其周围的时空弯曲了，而后地球不得不沿着弯曲了的时空运动，就像轨道已经铺设好了，火车只能沿着轨道运动一样。太阳为什么能将时空弯曲呢？因为太阳有质量，有质量的物体都能将时空弯曲。

这一惊人的理论是20世纪物理学两次革命中的第一次。第二次是量子理论。量子理论涉及自然界的微观领域。量子理论向我们展示了这个世界与我们的日常世界迥然不同。在微观世界，很多事情我们不能给出一个确切的结果，只能给出一个概率。譬如，微观粒子在同一时刻既可以在这里，又可以在那里。问它确切地在什么地方已经没有什么意义。我们只能说，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。这些想法虽然奇怪，但经过半个多世纪的检验，我们知道量子理论是正确的。

因此，量子理论对基本作用力的解释同样值得我们认真对待。量子理论将每一种基本作用力解释成量子场和传递量子场的一个或多个玻色子（玻色子是一类自旋为整数的粒子，自旋为半整数的粒子称为费米子）。譬如说，电磁力对应电磁场和光子。当光子在两个带电粒子之间抛来抛去时，就产生了电磁力。

量子理论还说，每一种基本作用力的范围与传递该力的玻色子的质量成反比。譬如，传递核力的玻色子质量大，所以核力的作用范围限制在原子核内;传递电磁力的光子质量为零，所以电磁力的作用范围无限大。这就是我们为什么能看到宇宙另一头的星星的原因。如果光子有质量，它就不会传播得这么远。

虽然目前我们还没有一个满意的量子引力理论，但我们确信，引力最终也必须通过量子场来描述。这意味它有一个传播相互作用的玻色子。我们称这个粒子为“引力子”。

引力子不应该有质量

我们不知道引力子是否存在，但有证据强烈地暗示，引力子是存在的。譬如，2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到了引力波。这表明，引力场可以像电磁场一样有波动。尽管到目前为止，引力波还没有显示出任何粒子行为的迹象，但根据量子理论所描述的波粒二象性，有引力波就有引力子。当初，光的粒子性也是在我们知道了光是一种波动之后很久才发现的。

考虑到引力像光一样在宇宙的尺度上发生影响，所以引力子要么是质量为零，要么有质量但非常轻。那么，到底是哪一种情况呢？这个问题看似天真，实则很重要，因为答案将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传播。

一个直接的结果是，如果引力子没有质量，它将会以光速运动;如果它有质量，它的速度就会低于光速。

此外，物理学家发现，当假设引力子有质量时，他们无法避开一个“幽灵”：一种负能量粒子。

我们身边的粒子，哪怕是会跟正粒子湮灭的反物质粒子，能量都是正的。物理学家们还说，真空也是有能量的。这个能量也是正的。所以，目前没有任何物质的能量是负的。如果存在负能量粒子，那可就麻烦了。它会跟任何正常粒子发生湮灭，湮灭之后归于乌有，一点东西都不会留下。再说，它若存在，总要存在于某个空间吧。可是真空具有正能量，同样要跟它湮灭。所以，它的存在根本无从谈起。

这一切意味着，“存在负能量粒子”這种说法本身就是自相矛盾的，这个矛盾来自引力子有质量的假设，所以引力子不能有质量。

这是几十年前的结论。

如果引力子是有质量的

不过，最近英国物理学家克劳迪娅·拉姆和她的同事提出一个新的引力理论，该理论在广义相对论的基础上引入额外的空间维度，结果他们做到了在让引力子有质量的同时，又避免出现幽灵般的负能量粒子。

如果他们的理论是正确的，引力子确有质量，那这个结果将影响深远。从宇宙早期的演化，到行星运动和宇宙未来的命运，都要受其影响。甚至月球的轨道也会受到影响：月球每个月要离地球近大约1纳米。

更深刻的是对引力波速度的影响。如果引力子有质量，除了它的运动速度低于光速，它还可以以不同的速度运动。

如何理解这一点？以光为例。我们知道，各种波长的光在真空中都以光速传播。可是，一旦进入介质，譬如水中，首先是光的传播速度慢了下来;其次是不同波长的光，速度也变得不一样。我们可以这样来理解：光的速度之所以慢下来了，是因为此时光子具有了静止质量;不同波长的光传播速度之所以变得不一样，是因为不同波长的光子具有不同的静止质量。

反映光的这一现象的最好例子是彩虹：原先混在一起的不同波长的太阳光，经过小水滴，由于速度的降幅不一样，结果就分开来，让我们看到各种颜色的光带。

类似于光的情况，如果引力子有质量，也将发生“引力彩虹”现象。譬如两个黑洞碰撞，在时空中产生了不同波长的引力波。它们开始是混在一起的，但因为传播速度不一样，随后就渐渐分开来了。这种现象，目前的引力波探测器是没能力探测到的，但未来的探测器也许能够。

总之，不论引力子是否有质量，随着我们成功探测到引力波，我们对引力的研究已经进入新时代。