■劉巖

引力是人類(lèi)最早認(rèn)識(shí)的一種相互作用。1687年出版的牛頓的劃時(shí)代巨著《論自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中描述了引力作用的基本形式，但是引力的本源是什么，卻一直沒(méi)有找到答案。1915年，愛(ài)因斯坦基于物質(zhì)的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量的等效性建立了廣義相對(duì)論，廣義相對(duì)論用時(shí)空的彎曲來(lái)解釋引力的本質(zhì)，但是，這仍然是一種表面的描述，沒(méi)有觸及引力的本質(zhì)。

到了20世紀(jì)70年代，理論物理學(xué)家基本上達(dá)成了共識(shí)，那就是要想從微觀(guān)層面揭示出引力的本質(zhì)，必須將相對(duì)論和物理學(xué)的另一大理論——量子理論融合，即所謂的引力的量子化。這一努力經(jīng)過(guò)20余年的探索最終以失敗告終。到了20世紀(jì)90年代中期，霍金不無(wú)感慨地說(shuō)，引力和量子理論是水和油一樣不相融的。

但是，由于引力的本質(zhì)困惑人類(lèi)太久，揭開(kāi)它的本質(zhì)和人類(lèi)跨越到第三類(lèi)文明有最直接的關(guān)系，所以，年輕一代的理論物理學(xué)家仍然勇敢上陣。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的青年理論物理學(xué)家愛(ài)德華·威騰引入弦理論去揭示引力的本質(zhì)，給引力理論帶來(lái)一線(xiàn)希望。但是，更深入的探索卻又一次令人失望，雖然從理論上看，弦理論可以解釋引力，但是，它卻無(wú)法告訴人類(lèi)如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)克服引力。所以，喧鬧一時(shí)的弦理論到了21世紀(jì)已經(jīng)基本上被畫(huà)上了句號(hào)。

20世紀(jì)90年代和引力理論相關(guān)的發(fā)現(xiàn)就是宇宙的暗物質(zhì)與暗能量。據(jù)測(cè)算，人類(lèi)可視的物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的6%，其余的都是暗物質(zhì)與暗能量。要想揭示引力的本質(zhì)，又一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題就是引力和暗物質(zhì)、暗能量之間的關(guān)系。而要回答這個(gè)問(wèn)題，比揭示引力的本質(zhì)更加困難。

說(shuō)到這里，人們自然會(huì)問(wèn)，引力為什么如此復(fù)雜？而電磁力卻早在麥克斯韋爾時(shí)代就被揭示出來(lái)？答案很簡(jiǎn)單，電磁力的作用中介是光子，而光子不帶電荷，它一旦從電子中被發(fā)射出來(lái)，就不會(huì)再與電荷發(fā)生電耦合，光子和光子之間也不會(huì)發(fā)生電耦合，所以描述電磁作用的方程很簡(jiǎn)單，數(shù)學(xué)上容易處理。

但是，引力就不同了，引力作用于任何有質(zhì)量的物質(zhì)，目前已知的所有粒子都會(huì)與引力發(fā)生作用，即耦合。從量子理論的處理方法出發(fā)去描述引力相互作用，一個(gè)難以逾越的數(shù)學(xué)障礙出現(xiàn)了，由于引力和所有的粒子都發(fā)生耦合，當(dāng)用拉格朗日函數(shù)處理引力場(chǎng)時(shí)，如何找到與引力發(fā)生作用的所有耦合常數(shù)，并將它們添加到方程中，這在數(shù)學(xué)上是無(wú)法處理的。

在標(biāo)準(zhǔn)單位制中，萬(wàn)有引力常數(shù)的量綱是個(gè)負(fù)值，為-2，當(dāng)用量子理論方法積分拉氏函數(shù)時(shí)，這個(gè)函數(shù)是發(fā)散的，意味著這個(gè)函數(shù)描述的相互作用量無(wú)窮大。當(dāng)增加新的與引力耦合的作用項(xiàng)時(shí)，耦合常數(shù)是量綱更是負(fù)值，為-3、-4、-5，含這樣的項(xiàng)的函數(shù)積分時(shí)更是高階無(wú)窮大。

所以，用經(jīng)典的量子理論方法處理引力顯出是失敗的。這是為什么呢？原因很簡(jiǎn)單，由于引力相互作用的中介物質(zhì)——引力子本身有質(zhì)量，它不但會(huì)和場(chǎng)源的物質(zhì)作用，并且，引力子之間也會(huì)相互作用。面對(duì)如此復(fù)雜的一個(gè)作用過(guò)程，采用移植從描述電磁相互作用而發(fā)展起來(lái)的量子理論，顯然是不正確的。

那么，是否意味著對(duì)引力本質(zhì)的揭示又走入了絕境呢？事情還沒(méi)有如此糟糕。21世紀(jì)的物理學(xué)家已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到如果沒(méi)有新的物理實(shí)驗(yàn)作支撐，僅靠舊的概念和舊理論的簡(jiǎn)單組合，是永遠(yuǎn)不可能揭示出引力本質(zhì)的。

前幾年發(fā)射升空的阿爾法磁譜儀就是希望從實(shí)驗(yàn)上找到可能與引力相關(guān)的宇宙暗物質(zhì)的信息。

目前，擺在人類(lèi)面前的基本情況是，引力的本質(zhì)遠(yuǎn)比過(guò)去想象的復(fù)雜。與引力最直接相關(guān)的，質(zhì)量的來(lái)源這些最根本的問(wèn)題依然沒(méi)有突破。雖然早在20世紀(jì)60年代英國(guó)物理學(xué)家希格斯就預(yù)言了真空中的量子起伏伴隨一種新粒子——希格斯子，它賦予任何粒子質(zhì)量。這個(gè)理論看似美好，但從很大程度上看，是一種慣性思維，真空中的量子漲落為什么會(huì)給粒子賦予質(zhì)量？問(wèn)題依然沒(méi)有答案。

由于引力和電磁力都是相互作用的，并且它們二者的宏觀(guān)作用形式相近，所以，曾吸引20世紀(jì)多位頂級(jí)理論物理學(xué)家為二者的統(tǒng)一傾注心血。從愛(ài)因斯坦、愛(ài)丁頓到韋爾，但問(wèn)題一直沒(méi)有答案。那時(shí)的物理學(xué)家都試圖增加空間的維數(shù)包含引力作用，如有采用五維空間的，被稱(chēng)為卡魯查—克萊因理論，也有采用十二維空間的等等。由于引力和已知的所有粒子都發(fā)生相互作用，所以，描述引力的空間一定是維數(shù)極高的，我認(rèn)為至少是應(yīng)該超過(guò)三十維的空間，只有這樣大的一個(gè)對(duì)稱(chēng)群才能包容下引力相互作用。

20世紀(jì)電磁相互作用的量子化處理的成功源于電磁相互作用的媒介——光子的基本性質(zhì)。它不帶電荷，正是這一性質(zhì)，使得電磁相互作用在數(shù)學(xué)上容易處理。相比之下，引力就大相徑庭了，引力和已知所有的粒子作用，所以引力比起電磁力是一種更普遍的相互作用，電磁力只是個(gè)特例。并且引力還涉及宇宙暗物質(zhì)，這就更使得引力的本質(zhì)變得復(fù)雜起來(lái)。

從人類(lèi)物理學(xué)發(fā)展史可以看出，雖然電磁相互作用直到18世紀(jì)才由法拉第從實(shí)驗(yàn)上揭示，到19世紀(jì)中葉由麥克斯韋爾在理論上完善，晚于牛頓提出萬(wàn)有引力理論近一個(gè)世紀(jì)，但是，電磁相互作用卻是人類(lèi)最早完整揭示本質(zhì)，并能成功應(yīng)用于人類(lèi)生活各個(gè)角落的相互作用。

相比之下，引力就遜色多了，雖然已經(jīng)過(guò)了四個(gè)世紀(jì)，引力的本質(zhì)仍舊是一團(tuán)迷霧。

現(xiàn)在回過(guò)頭去看20世紀(jì)60年代后引力的探索歷程，之所以失敗，源于在沒(méi)有任何關(guān)于引力的新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，寄希望于原有概念、理論的簡(jiǎn)單組合，這種組合沒(méi)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，自然而然不會(huì)成功。

21世紀(jì)的物理學(xué)家們已經(jīng)清醒了許多，更多地寄希望于發(fā)現(xiàn)與引力相關(guān)的新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，宇宙暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)就是一個(gè)良好的開(kāi)端。

相信隨著新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)，在21世紀(jì)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多與引力相關(guān)的新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，人類(lèi)會(huì)一步一步接近引力的本源。