引力的本質到底是什麼?引力子的質量可能等於零

2020-12-03 千炮捕魚

眾所周知,在自然界中存在四種基本力,從發現的先後順序排列分別是:萬有引力、電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力,根據量子場論的理論,電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力這三種基本力都是通過載力粒子的交換實現的,也就說這三種基本是通過粒子交換的形式產生的,我們把這三種基本力的載力粒子稱為:傳播子。

基本力的傳播子

電磁力的傳播子是光子,也就是說電磁力的產生是由光子的交換得來的,強力的傳播子是膠子,弱力的傳播子是W和Z玻色子(這裡強調一點,這三種傳播子都是玻色子),講到這裡,大家就會有疑問了,既然電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力都有傳播子,那麼萬有引力的傳播子是什麼呢?

目前來說,我們並沒有在實驗中發現萬有引力的傳播子是什麼,因為萬有引力的發現時間要遠遠早於後三種基本力,牛頓最早發現了萬有引力,並且使用數學公式將萬有引力表達出來。

後來愛因斯坦使用相對論將萬有引力解釋成是時間與空間的扭曲。

尚未成熟的量子力學

二十世紀初的量子力學才看看興起,理論基礎沒有完善,量子力學內部諸侯混戰,所以根本無暇顧及古老的量子力學。

其次就是萬有引力與其他三種基本力的作用範圍不同,萬有引力的作用主要在大型天體,而電磁力的作用範圍較小,強力和弱力主要在原子核尺度內。

不過隨著量子力學的不斷發展,量子力學將電磁力、強力、弱力全部使用量子場化理論統一起來,目前就僅剩萬有引力還沒有被量子力學降服,如何將萬有引力納入到量子場化理論之中呢?於是物理學為萬有引力的傳遞假設的一種傳播子:引力子。

在引力子這個概念被提出之後,很多問題接踵而至,最直接的問題就是引力是否也是通過玻色子的交換而產生的?

這個是毋庸置疑的,在將廣義相對論量子化的前提下,引力一定是通過引力子交換而產生的,引力子與其他三種基本力的傳播子一樣,也是玻色子。

第二個問題就是引力子的物理性質是如何呢?

因為引力子只是基本萬有引力量子化標準被提出的一個假象粒子,所以我們目前無法通過實驗的方式去尋找引力子的物理性質,不過我們可以通過萬有引力的性質去推導引力子的性質。

引力子的速度

例如:我們可以通過引力的速度去推算引力子的速度

那麼引力的速度是多少呢?

很多人可能一時間沒有頭緒,好像我們從來沒有聽說過引力的速度,在我們的印象裡,引力的作用往往都是瞬時的,似乎是沒有速度的,但實際上引力也是有速度的,愛因斯坦認為引力的速度宇宙中最快的速度:光速。

舉個例子:地球之所以能圍繞太陽做橢圓運動,是因為被太陽的引力束縛住了,如果要是沒有太陽的引力,地球就會被甩出軌道。

那我們在這裡做一個假設,假設太陽突然憑空消失了,那麼地球會因為引力的消失,馬上被甩出去嗎?

並不會,因為引力的速度是光速,所以從太陽引力消失到傳遞到地球也是需要時間的

這個時間也很容易計算,地日距離是14 960萬km,光速是299792458m/s

那麼時間t=14 960萬km÷299792458m/s,大約為8分18秒左右,那就是說:即使太陽消失,地球需要8分18秒的時間才能感知到太陽的引力消失,再被甩出軌道。

所以我們根據引力的速度推斷出引力子的速度,即光速

下一個問題,引力子的質量是多少?

引力子的質量

關於引力子的質量是最不好處理的,也是最不好推斷的,因為引力子的速度等於光速,這就要求引力子的靜止質量必須為零,根據愛因斯坦的相對論,一個靜止質量大於零、速度等於光速的物質,能量趨近於無窮大,這顯然是不成立的,所以引力子的靜止質量只能是等於零。

那麼引力子的質量可不可以測量呢?或者說我們如何驗證引力子的質量是零呢?

我們還是要通過引力入手,因為我們目前唯一已知的因素就是引力

法國科學家曾經做過這樣一個實驗

先用計算機根據相對論設計出一個太陽系運轉模型,然後將太陽系運轉模式的時間點設置為1913年到2017年,為何要設置這個時間段呢?

因為在這100多年中,我們有一個良好的、完整的天文記錄,科學家可以通過計算機模擬的太陽系運轉模型與真實的觀察數據做對比,這樣通過對比就可以計算出一個誤差值,或許引力子質量的秘密就在這個誤差值中

通過比較太陽系運轉模型數據和真實的觀察數據,科學家估算出了一個引力子質量的上限值,即6.76×10eV,

eV是表示微觀粒子質量的常用形式,eV本來是能量單位,代表一個電子經過1伏特的電位差加速後所獲得的動能,1 eV = 1.6021766208(98)×10^-19 J,根據質能方程E=mc進行換算,就可以得到質量。

使用這種方法計算出的引力子質量與通過引力波測量的數據十分接近,隨著不斷優化太陽系的運作數據,引力子的質量將會越來越清晰,請大家拭目以待

相關焦點

  • 電磁力通過光子傳遞,引力是通過「引力子」傳遞的嗎?
    他們在探索了微觀世界之後才發現,自然界的三種基本力在本質上是相同的,力的傳遞過程其實都隱含著物質粒子的交換——電磁力是通過光子傳遞的,強核力是通過膠子傳遞的,弱核力則是W和Z玻色子。引力無處不在,它與電磁力、強核力、弱核力並稱為自然界的四大基本力,我們身在其中卻看不見摸不著,那麼,它的傳遞是哪種物質粒子在起作用呢?物理學家提出,或許存在一種粒子——引力子。假如真的存在引力子,它有質量嗎?我們該怎樣感知它?目前,關於引力子的假說中還欠缺一個很重要的數據,那就是引力子的質量。
  • 萬有引力的本質到底是什麼?引力子還是時空彎曲?
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。
  • 萬有引力的本質到底是什麼?引力子還是時空彎曲?
    我們都知道牛頓發現了萬有引力定律,但遺憾的是牛頓本人並不清楚引力到底是如何產生的,引力的本質到底是什麼?牛頓當然也知道這引力的本質是一個更大的奧秘,不過在牛頓時代,發現萬有引力定律已經很偉大很不容易了,研究引力的本質確實有些強人所難,畢竟大自然的奧秘不是短時間內就能揭開的。而這個更大的奧秘(引力的本質)留給了幾百年後的科學家,他就是偉大的愛因斯坦。
  • 真的存在引力子嗎?我們有可能找到引力子嗎?
    我們的引力理論是經典的:廣義相對論。但是,從理論上講,應該有一個量子對應物,由一個稱為引力子的假設量子粒子介導。只有,我們能找出引力子是否確實存在嗎?無論從實驗還是觀察上,我們都不知道引力是否本質上是量子的。如果是這樣,我們將在有方法進行測試和驗證後立即接受它。這就是為什麼這可能沒有您最初想像的那麼不可能。
  • 關於引力的本質和引力子是否存在和量子糾纏現象的原因
    我們先來做一個數學證明,證明0.99循環等於1,先設0.99循環等於x則滿足10x=9+x解得x=1,ok我們先拋開這個問題,我們來思考一個有趣的現象,我們這個宇宙的物質,要麼只具有的靜質量要麼只有動質量要麼具有靜質量卻不是完全光速,我們先來想像一下假如說你同時具有靜動兩種質量狀態,加上空間就是時間那麼你就具有了兩條時間軸,這就是五維空間!
  • 無比強大,卻又無比弱小的引力,它的本質到底是什麼?
    如同強核力、弱核力以及電磁力的媒介粒子膠子、W及Z玻色子以及光子一樣,人們也希望能夠找到引力的媒介粒子,並且事先已經給這種粒子命名為了引力子,只可惜事與願違,時至今日都未能發現引力子的蛛絲馬跡。引力是一種非常強大的力,它遍布於宇宙之中,小到一磚一石,大到宇宙天體,無一不受引力的作用,我們的地球能夠圍繞太陽穩定運行也是託了引力的福。
  • 無比強大,卻又無比弱小的引力,它的本質到底是什麼?
    如同強核力、弱核力以及電磁力的媒介粒子膠子、W及Z玻色子以及光子一樣,人們也希望能夠找到引力的媒介粒子,並且事先已經給這種粒子命名為了引力子,只可惜事與願違,時至今日都未能發現引力子的蛛絲馬跡。整個地球的引力都在將我們手中的手機向下拉,但我們輕而易舉就能夠拿起它,哪怕是一個一歲幼童也能夠在這場與引力的對抗中取得勝利。這是一件很有趣的事情,引力這種無比強大又無比弱小的力到底是什麼呢?它的本質是什麼呢?最初給引力一個準確定義的人就是牛頓,它的萬有引力定律第一次讓人類如此接近了引力的真相。
  • 引力到底是什麼?是時空的彎曲還是引力子?
    四大作用才是宇宙的規則首先,「萬物的秩序規則」並不是只有引力說了算。畢竟,在宇宙中存在四種作用力:強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用,引力。引力關於「引力」的解釋,歷來說法有很多,而且引力至今也是科學家在思考和研究的對象。我們可以先簡單描述一下引力的作用,如果從宇宙的大尺度上來看,引力是星系的粘合劑,如果沒有它們,宇宙中的物質會成一盤散沙。正是因為引力有趨勢物質相互靠近的作用。因此,它可以把宇宙中的一些距離相近的物質聚合到一起。大部分的星系就是由物質和暗物質提供的引力而聚集起來的。
  • 引力的本質是什麼?愛因斯坦和牛頓誰更正確?
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  • 引力到底是什麼,可能它並不是力
    在愛因斯坦的相對論中引力並不是一種「力」,而是一種時空彎曲的現象。大質量的天體把時空壓彎曲了,周圍的天體在這彎曲的時空裡運動,就像大天體拉著小天體轉動。想想在一張彈簧床上放一個大質量的鉛球。它會把彈簧床壓一個凹洞,再把小質量的彈珠放在凹洞邊,它就會沿著凹洞慢慢滾向鉛球。這就像大質量的天體用引力「拉」著小天體一樣。這只是一種時空彎曲的現象。
  • 宇宙秩序規則:引力,到底是怎麼產生的?是時空彎曲還是引力子?
    為什麼只說了三個,傳遞引力的引力子呢?被吃掉了嗎?實在抱歉種花家根本吃不了引力子,但也不能憑空創造出一個引力子,至少在現在,它還沒有在標準粒子模型中出現的資格,因此對廣義相對論的量子化道路上仍然很漫長哦。介紹引力,我們還是得從牛頓經典力學開始!
  • 引力是由物質質量產生,那麼同等質量的物質都產生相同的引力嗎?
    根據現有理論引力就是由物質質量產生,同等質量的任何物質都產生相同的引力。大科學家牛頓提出了萬有引力定律,蘋果瓜熟蒂落掉在地面和月球的長久相伴,是因為同等性質的力。根據質量乘積正比距離平方反比的萬有引力公式來看,計算引力的時候也只是僅算質量,並沒有分物質。萬有引力是宇宙天體系統的主要粘合劑,宇宙的規律應該是至簡至純,難以想像會出現因物質不同而產生不同的力。那麼引力的本質到底是什麼,為什麼不同的物質只要質量相同就會產生相同的引力?
  • 引力速度為什麼必須等於光速?
    光可以以無限的速度傳播,引力也可以,任何信息都可以。並且在牛頓的引力方程中,引力只跟兩個作用物體的質量、引力常數、以及它兩之間距離的平方有關係,這樣的引力必須是無限的速度。所以說牛頓所說的引力無限雖然解決了它的引力方程對太陽系的描述,但也是有問題的。這些問題就需要愛因斯坦更為本質的引力理論去解釋。我們知道狹義相對論的誕生比廣義相對論早了近10年,在狹義相對論誕生以後就出現了很多的問題和牛頓引力不相容。
  • 為什麼引力速度必須等於光速?
    所以說牛頓所說的引力無限雖然解決了它的引力方程對太陽系的描述,但也是有問題的。這些問題就需要愛因斯坦更為本質的引力理論去解釋。我們知道狹義相對論的誕生比廣義相對論早了近10年,在狹義相對論誕生以後就出現了很多的問題和牛頓引力不相容。
  • 之前多數人都理解錯了,引力的本質其實是這樣的
    好了,今天我想和小夥伴講解一下什麼是引力,引力的本質又是什麼。首先我先羅列一下很多網友對引力的一些錯誤理解:1、引力扭曲了空間。2、「引力透鏡」原理造成天體運動軌跡發生變化。3、人們可以通過超越光速回到未來,但不能回到過去。4、「引力子」產生引力,「引力子」的多少決定引力的強弱。
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    我們先來思考一個問題,引力的相互作用是不是瞬間產生的?也就是說不管距離有多遠,只要質量發生變化,引力的大小也會立即跟著發生變化,那這到底對不對呢?根據狹義相對論所證明的,沒有什麼信號或者能量的傳遞速度能夠超過光速,如果太陽突然爆炸,地球最快也要在八分鐘以後才能得知真相,引力的傳播絕對不能逾越光速這個極限,如果引力真的可以超距作用的話,那麼就可以靠有規律的改變質量的大小來向遠方傳遞信息,這就跟摩爾斯電碼一樣,這顯然違反了狹義相對論的理論。
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    重力&引力說到重力,其實就是牛頓發現了萬有引力的一種,而牛頓對萬有引力的解釋是,兩個有質量的物體之間有一根看不見的線,那這個解釋顯然是不能讓人滿意的,所以呢物理學家就花了數百年的時間,都一直在尋求這個問題的答案,很遺憾地告訴大家,目前的科學家還沒有給出一個標準的答案來解釋引力到底是如何產生的,無數的科學家都把這個問題視為目前物理學界的終極問題
  • 引力是空間彎曲的幾何效應,為何科學家還要尋找引力子?
    引力子是量子力學的產物,相對論和量子力學本身就存在衝突,所以尋找引力子成為調和量子力學和相對論力學的途徑之一。物理學中一共有四大基本力——強力、弱力、電磁力和萬有引力;其中引力最先被發現,後來麥克斯韋把電和磁統一到了電磁理論中,四大基本作用力主宰著我們世界微觀到宏觀的一切,但是又存在明顯差異。愛因斯坦的相對論在描述宏觀世界時非常成功,尤其是廣義相對論把引力描述為空間的幾何效應,解決了天體物理學的眾多難題;愛因斯坦受此啟發,也試圖把電磁力幾何化,但是沒有成功。
  • 力的本質是什麼?
    我們拿起一個蘋果,所需要的摩擦力本質上就是電磁力。圖:電磁力引力是具有質量的物體間的相互作用力。它是四種作用力中最弱的一種力,如此大的一個地球所產生的引力還無法將一個細繩拉斷,從這就可以看出它比其他基本力要弱很多個數量級。但引力的作用範圍是無窮遠的。科學家們甚至能通過雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)觀測到距離地球約13億光年處的兩個質量分別為36太陽質量與29太陽質量的黑洞併合所產生的引力波。