三大基本力都被統一,只剩下引力沒有,它的本質是什麼?

2020-12-25 閒雲趣談科學

引力是物理學中的四大基本力之一,另外三個是強力、弱力和電磁力。後面三種已經統一,唯獨引力格格不入,沒有參與到統一的進程中。要知道,發現大一統理論最有可能的方法就是統一四大基本力。統一了它們,就有可能發現各種物理現象深層的規律,推動大一統理論誕生。然而現在就被引力給難住了,它到底是什麼?

牛頓被蘋果砸到腦袋後,就開始思考蘋果為什麼只垂直往下掉,而不是別的方向。他越研究越興奮,因為他發現了這種情況存在於整個自然界中,後來又把目光對準星空,發現了天體之間的聯繫,就這樣牛頓提出了萬有引力。每個物體之間都有引力,力的大小和物體的質量成正比。注意,牛頓是提出了萬有引力,不是發明,他也不知道引力的本質到底是什麼。

他在《自然科學的數學原理》中的表述很複雜,強調他考慮的引力是從數學角度,沒有從物理角度出發。牛頓的晚年依然被這個問題傷透了腦筋,以至於最後把它丟給了上帝,說是上帝創造了引力。

牛頓力學的漏洞引起了眾多科學家的注意,愛因斯坦首先發聲,指出牛頓力學在微觀領域漏洞百出,無法解釋微觀世界的運動。以太實驗的失敗,給了愛因斯坦靈感,不久相對論誕生。在相對論中,引力被解釋為時空扭曲產生的特殊現象,每個天體周圍的時空都發生了肉眼不可見的扭曲,引力的本質就是如此,這也是目前科學界的主流觀點。

黑洞也在相對論預言中出現,它是種擁有強引力的天體,它質量大體積小,周圍的時空彎曲到了難以想像的程度,連光也逃不出黑洞。除了黑洞,還有蟲洞引力波等,它們都是引力場方程的解。這個方程比較特殊,不止一個解,到現在還有眾多科學家嘗試用不同方法解它,想要發現新成果。

量子力學則試著從微觀層面解釋引力的本質。它假設出了引力子,將引力子之間的變換視為引力的本質。這種說法看似天衣無縫,完美結合了相對論和牛頓力學,但致命傷就是沒辦法用實驗驗證。實驗證明是科學界的鐵律,每種理論都要經過實驗的考核,不然它難以服眾,只是個假說。引力子到現在都沒法觀測,所以某種意義上來說,量子力學在解釋引力這塊是吃虧了,相對論略勝一籌。

在引力面前挫敗,在另外三個基本力面前,量子力學就厲害了。著名物理學家楊振寧聯合米爾斯提出了楊-米爾斯方程,用數學方法解釋了電磁力,同時引入了場理論。細膩的用量子力學的方式,解答了微觀粒子之間的聯繫運動。在它的基礎上,粒子物理的標準模型出現了,一下子統一了強力、弱力和電磁力,是物理學的大事件。

唯一的遺憾就是引力了,或許引力的特殊之處就在於它不能被統一,引力的本質到底是什麼我們至今沒有定論,相對論模型解釋引力是最能讓人接受的觀點。量子力學統一了另外三大基本力,它和相對論倒是分工明確,兩者的最大分歧也就是引力問題。未來的物理學將繼續解釋引力問題,等到引力被我們了解熟知,離突破地球的束縛也就不遠了。作為宇宙中最常見的力,引力能幫助我們遨遊太空,期待這一天的到來。

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