引力子：粒子物理學的最後一塊拼圖，可能引發物理學革命

從亞里斯多德物理學到牛頓力學，從愛因斯坦相對論到弦理論，我們對引力了解得越多，它就越不願意遵守我們現有的規則。

第一個認真解釋引力的嘗試來自亞里斯多德，他相信所有的事物都有一種天生的「欲望」，想要根據引力移動到它們所屬的地方。他在《物理學》中解釋道，在地球為宇宙中心的地心模型中，像地球和水這樣的中物體被吸引到中心，而像火和空氣這樣的輕物體被向上拉，因為那是它們的起源。他說：「每個事物都有一個合適的地方，對於局部和整體都是一樣的，例如對於整個地球和一塊土地或火焰和火花」。

在此後的幾個世紀裡，我們對引力的理解已經變得更加精細，然而，引力已經證明它本身比亞里斯多德所能想像的還要奇怪得多。

尺度很重要

在一個尺度上奏效的東西，在另一個尺度上就失效了。對於超大質量恆星行為的最佳解釋，在量子層面上的應用會產生荒謬的結果。

據傳，1666年，牛頓坐在伍爾索普莊園的花園裡，被一個落下的蘋果擊中頭部，啟發他建立了著名的重力方程。

• G是引力常數，由亨利·卡文迪什於1797年首次測量

牛頓的萬有引力定律解釋了兩個物體之間的引力與它們的質量成正比，與它們距離的平方成反比。

牛頓利用這個方程比以往任何時候都更精確地計算了行星的軌道，事實上，他還利用這個方程預測了太陽系外的大行星的存在，這些大行星後來被確定為海王星和天王星。在當時，牛頓對萬有引力的解釋是革命性的，在大約200年的時間裡，儘管有一些不足之處，如未能解釋水星繞太陽運行時近日點的進動。

隨著科學的發展，很明顯，牛頓引力理論不足以解釋超大尺寸的物體。

對於非常大的物體，愛因斯坦的廣義相對論開始奏效。這解釋了空間和時間的扭曲取決於物體的質量。當它在1916年發表時，儘管遭到了很多質疑，但它解釋了牛頓方程產生的異常，比如水星的軌道。從那時起，儘管這與直覺相悖，但它已經被無數次的實驗證明，最近，2015年首次探測到重力波，2019年首次拍攝到銀河系黑洞的照片。儘管相對論取得了成功，但它仍難以解釋暗能量和時空奇點。

另一方面，引力對極小的物體幾乎沒有意義。在這個尺度上，物理學家依靠量子力學來解釋粒子在選擇一種狀態之前存在的可能性。根據量子力學先驅之一沃納·海森堡的說法，「原子或基本粒子本身是不真實的；它們構成了一個充滿可能性的世界。」

在這個尺度上，引力太弱，無法測量，而愛因斯坦的相對論在根本上是不相容的。試圖將量子力學與相對論結合成萬物理論是物理學中最重要的問題。這種理論的主要競爭者是弦理論，儘管它還沒有被物理學界完全接受。

難以捉摸的引力子

重力是唯一尚未發現載體的基本力，它甚至可能不存在。根據量子力學，基本力是由基本粒子產生的。除了重力之外，所有的基本力都能發現這些載體（光子是電磁力的載體，膠子是強核力的載體，W和Z玻色子是弱核力的載體）。

強核力負責將質子和中子以及組成它們的夸克結合在一起，它的載體是膠子；W玻色子和Z玻色子負責攜帶導致原子放射性衰變的弱核力；而電磁力的載體是光子。理論上，引力的載體是引力子。找到它是下一代粒子加速器的目標之一。

• 粒子物理學標準模型

如果發現了引力子，問題不會就此結束。首先，目前已知的3種載流子很好地符合粒子物理學的標準模型，也就是量子粒子的周期表。然而，引力子並沒有合適的位置。第二，引力子在數學上是有問題的。在量子力學中，在進行計算時出現無窮大是很常見的，這使得不可能得到一個合理的答案。這些無窮大通過重整化的過程來處理，本質上就是增加相反的項來消去它們。然而，引力子的數學將涉及無限多的無窮大，使重整化本身不可能。

作用範圍

由於一些尚待解釋的原因，引力比其他基本力要弱幾個數量級。顧名思義，強核力是最強的，它比電磁強100多倍，比弱核力強100多萬倍，比引力強10^38倍。

雖然引力似乎更強，但這只是因為它的範圍最大，但在小尺度上，引力幾乎是無關緊要的。更具體地說，強核力的作用範圍是10^（-15）米；弱力的範圍約為10^（-18）米；重力和電磁力都遵循平方反比定律，但電磁力往往會自我抵消，讓重力在大尺度上佔主導地位。

對於物理學家來說，引力為什麼這麼弱是一個懸而未決的問題。最主要的解釋之一是存在其他維度，這些維度被假設為非常小，只有量子粒子才能與它們相互作用。因此，如果重力通過4個時空維度以外的額外維度傳播，那麼這可能解釋了為什麼它的一些能量似乎丟失了。

弦理論是答案嗎

我們理解引力的最大希望在於弦理論。如果它是正確的，宇宙是由1維弦和10維相互作用組成的（弦振動產生不同的粒子）。利用弦理論，物理學家已經成功地理解了所有尺度的引力，導出了引力子的存在，並解釋了為什麼引力比其他基本力要弱得多。

然而，由於弦理論的複雜性，它有很多可能的解，它缺乏可預測性，它缺乏實驗證據。李·斯莫林是弦理論的批評者，他認為，物理學界已經走錯了方向。他說：「一些弦理論學家寧願相信弦理論太神秘而無法被人類理解，也不願考慮它可能是錯的。」如果他是對的而弦理論是錯的，那麼我們是否能真正理解引力就值得懷疑了。