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重力子:時空彎曲效應與大一統理論障礙 可能與希格斯玻色子相關

2024-11-07科學

近幾天,我的科普作品獲得了廣泛的贊譽,看來大家對擬人化的敘述方式頗有興趣。

為了維持易懂的寫作風格,我決定繼續遵循「盡量避免公式」的原則。

眾所周知,至今人類還未能揭示自然界的終極理論。盡管超弦理論被認為是理想候選之一,但其實驗驗證仍顯困難,更多的是數學上的構建!我要強調的是:有科學家認為大一統理論能夠用單一理論解釋除重力之外的所有其他力學現象。將大一統理論與重力結合,才能構成所謂的萬有理論。

從愛因斯坦早年開始,大一統理論已經被科學界正式提出,愛因斯坦的晚年也基本奉獻於此。遺憾的是,至今我們還沒有實作愛因斯坦的這一偉大願望。當然,在愛因斯坦時代,由於尚未發現強和弱相互作用力,大一統理論本質上即萬有理論。

無疑,大一統理論面臨的最大障礙是重力。這種最早被發現的,看起來最簡單的力卻異常獨特。

自然界的四大基本力—強力、電磁力、弱力都已在標準模型中得到了完美的解釋。標準模型就像一個大家族,其樂融融。只有重力,這個「遠行者」還未願歸來。

一切從場論開始。牛頓提出萬有重力理論後不久,就面臨了一個急需解決的問題—超距作用。他本人也不願意接受物體之間無介質、空中傳遞力的想法。

那時候,場的概念還沒有明確形成,因此牛頓引入了以太來解釋這一現象。在牛頓看來,以太是靜止的,均勻地充滿整個宇宙。透過以太,重力的作用得以傳遞,且傳遞是瞬時的。

牛頓去世後,人們逐漸發現了電磁力。在磁鐵周圍撒上鐵屑,就會看到鐵屑形成曲線狀,這就是磁力線的直觀表示。

法拉第認為,這表明在磁鐵周圍的空間中存在一種均勻分布的場,磁鐵對鐵屑的作用就是透過這種場實作的。

這是場論的初步概念。直到麥克斯韋提出電磁理論後,場論才真正受到科學界的關註。

當然,那時的科學家仍舊認為場是均勻彌散在空間中的。場在空間中的強度隨著距離場源的增加而減弱。

以上都屬於經典場論的思想。直到愛因斯坦,經典場論才演化為量子場論。

經典場論與量子場論的本質差異在於:量子場論不認為場是均勻分布的,場的存在是不連續的,取值是分立的。例如,經典場論中連續空間的場強度可能是1、1.01、1.02,其值連續變化。

而量子場論中,場的值是量子化的,如若場的單位量子為2,則場的值可能是2、4、6等。這是因為能量的不連續導致場的不連續。

量子場論經歷了兩次重大改革和一次困境。

量子場論的兩次重大改革已經得到解決,但目前最大的困境是無法解釋重力。在愛因斯坦中年之前,科學家只知道存在兩種力:重力和電磁力。

當時,科學家首次使用量子場論來解釋電磁場,認為光子是電磁力的傳播子,由電磁場激發而來。

如今我們知道,自然界的四大作用力都對應著一種場,每種力都有其傳播子。這些傳播子都是在相應的力的場中被激發出來的。

在1920年代,科學家還未發現強弱相互作用力。那時,科學家們只想統一重力和電磁力。在愛因斯坦看來,重力的傳播速度已經由廣義相對論預測為光速。重力和電磁力的傳播速度都是光速,電磁力有電磁場,傳播子有光子。重力也有重力場(重力場是時空曲率的表現形式),但重力子卻一直未能被發現。重力子與光子是否有內在聯系?愛因斯坦堅信既然重力和電磁力的傳播速度相同,它們之間必然存在聯系。然而,這個問題直到他去世也未得到解決。

這個問題一直未有答案。

量子場論最初是為了解釋電子與光子的相互作用而提出的。光子的吸收和釋放都是按量子的方式進行的,因此電子和光子的場論必須在量子力學框架內統一。

不確定性原理告訴我們:電子處於持續運動狀態。運動的電子造成了電磁場的存在。電子會自發地輻射出能量,這些能量透過質能方程式轉化為光子。透過這種方式,科學家將光子、電子和電磁場完美地結合起來。

直到20世紀六七十年代,科學家逐漸發現了強弱相互作用力。

為了讓量子場論自洽,科學家建立了規範場論,不僅解釋了強力和弱力,還將電磁力納入其中。值得一提的是,楊振寧在建立規範場論中做出了決定性的貢獻。

根據規範場論,我們知道誇克之間的強力是透過膠子傳播的。電磁力由光子傳播,弱力由W和Z玻色子傳播。不論是膠子、光子還是W和Z玻色子,它們都屬於玻色子。

按照量子場論的標準模型,既然所有力都是相同的,為什麽重力要獨樹一幟。其他三種力的相互作用和傳播子都在標準模型中得到了完美的解釋,重力似乎沒有必要保持神秘。

因此,科學家預測了重力子的存在,認為它也是玻色子的一個成員。

如今,科學家開始認為重力子可能與希格斯場有關。希格斯場是一種能量場,場的振動產生了希格斯玻色子,也被稱為上帝粒子。某些本不具有質素的粒子,正是由於希格斯場的存在,獲得了質素。這種質素來源於希格斯場的能量。例如,弱力的傳播子W和Z玻色子的質素就來自希格斯場。隨著我們對希格斯場和上帝粒子的深入研究,或許能夠揭示重力子的真正本質。

有些讀者可能會問,既然重力在廣義相對論中已被完美解釋為時空彎曲,為什麽還需要將其納入量子力學框架?為何不把重力交給相對論處理,而把其他三種力交給量子力學,各自獨立就好?

實際上,大一統理論不僅僅是人類的美好夢想,它背後可能蘊藏著巨大的奧秘。回顧物理學史,我們發現,看似對立的事物往往潛藏著統一性。如果當年牛頓將行星軌域與蘋果落地視為兩個獨立的現象,萬有重力的理論會誕生嗎?電和磁曾被認為是兩種獨立的力,最終也被證實是同一種力在不同情況下的兩種表現形式。

其實,弱相互作用和電磁力也是可以統一的,這就是電弱理論。低能量下,電磁力和弱力差異顯著;但在高能量下,它們統一成電弱相互作用力。

物理學中的每一次分裂,都意味著更高層次的統一在等待著揭示。

量子力學和相對論共同奠定了現代物理學的基礎。然而,正因重力未能納入量子力學,這使得現代物理學難以自洽。這個難題的解決必將帶來物理學在更高層次上的統一。