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17世紀,牛頓發現天上天體的運動和地球上的蘋果落地,都是同一個力在起作用——引力。結合克卜勒行星運動三大定律和牛頓運動定律,牛頓推導出了萬有引力定律的數學表達式,發現了引力的存在。
只要有質量,萬物之間都存在引力作用,其大小與距離的平方成反比,與質量成正比。之所以宇宙中能夠存在地球、太陽,甚至銀河系、本星系群這樣巨大的天體,是因為引力起到了支配作用。不僅如此,引力還支配著天體的運動。
不過,牛頓的引力理論並沒有告訴我們引力的本質是什麼,引力是怎麼產生的。那麼,引力到底來自哪裡呢?
自那之後的很長時間裡,這個問題並沒有什麼進展。直到20世紀初,愛因斯坦創立廣義相對論之後,引力問題才取得重大突破。愛因斯坦從完全不同的角度來看待問題,他的廣義相對論成為繼牛頓萬有引力定律之後最成功的引力理論。
愛因斯坦認為,引力並非一種傳統意義上的力,而是一種源自於幾何的效應。空無一物的宇宙空間本來是平坦的,但如果存在質量體,空間就會被壓彎。空間的結構被壓彎之後,無論是其他物體,還是光子,都會沿著彎曲的空間運動,於是表現出了萬有引力。
基於這樣的原理,愛因斯坦創立了引力場方程,該方程組能夠比牛頓引力理論更好地描述宇宙中的各種引力現象。通過觀測實驗表明,遙遠的恆星光經過太陽附近時,出現的偏折角度完全符合廣義相對論的計算結果,而萬有引力定律的預言值小了一半。
不僅如此,廣義相對論還能預言此前未知的引力現象,例如,黑洞、引力波、引力時間膨脹效應,這些都已經被相繼發現。儘管如此,愛因斯坦的廣義相對論也是有局限的,並非是終極的引力理論。因為它無法解釋奇點問題,也無法與描述微觀世界的量子理論相互兼容。
因此,即便是愛因斯坦也沒有找到引力的本質。愛因斯坦對引力的幾何效應描述可能只是引力本質的一種近似,只是這個近似在很大程度上符合引力的本質,可以很好地描述宇宙中的各自引力現象。
為了得到終極的引力理論,就需要結合廣義相對論和量子力學。目前,比較有希望的大統一理論主要有兩個,一個是量子引力理論,還有一個是弦理論。
根據量子引力理論,引力就像另外三個基本自然力那樣,其產生機制源於一種無靜質量且速度為光速的基本粒子——引力子。不過,目前物理學家還沒有找到引力子的任何證據,而且量子引力理論在數學上還沒有做到自洽。
弦理論最被寄予厚望,因為它在數學上是自洽的。弦理論認為,宇宙中的各種粒子都可以進一步分割成不同振動方式的一維能量弦。在四維時空的基礎上,擴展出更高的維度,最高到十一維空間,由此就能很好地統一廣義相對論與量子力學。但由於弦理論的效應出現在能量極高的情況下,目前的粒子加速器還無法實現。