引力:传统认知与新发现
自从爱因斯坦发现广义相对论以来,引力一直被视为时空弯曲的一种表现。然而,最近有科学家提出了不同的观点,认为引力只是一种力,并非由时空弯曲所导致。如果这一发现属实,这项研究可能会让我们更接近世间的万物理论。
物理学中有四大基本力,分别是强力、弱力、电磁力以及重力(引力)。在上个世纪初,物理学家曾认为物理大厦已基本建成,但光电效应这一无法解释的现象如同头顶的乌云。后来,这一现象催生了量子力学,而量子力学与传统物理学难以兼容。
三种力的统一:规范场论
在电磁学领域,有完善的描述方式。强力和弱力在上个世纪也发展出了完备的理论。将这三种力统一起来的规范场论,即量子场论,已经能够完整描述强力、弱力和电磁力。
规范场论中的“规范”意味着制定标准。就像定义鸭子是长得像鸭子且能呱呱叫,以此标准来测量物体是否为鸭子一样,规范场论为测量各种力提供了标准框架。建立标准模型和规范场论耗费了物理学家大量精力和时间,奠定了现代物理学的基石,如今在量子现象、相互作用力以及高能物理等领域广泛应用。
引力的难题:无法统一
尽管三种力已实现统一,但引力始终无法被纳入其中。在爱因斯坦的描述中,引力相当微弱。标准模型(量子规范场论)中,电磁相互作用由光子完成,弱相互作用由玻色子完成,强相互作用由胶子完成,分别对应量子电动力学、电弱统一理论和量子色动力学。
这些相互作用都有传递介质,那么引力的传递介质就是引力子,然而引力子一直未被观测到。为了统一引力和其他三种力,弦理论将引力子看成弦的振荡,通过增加弦的维度来构建统一理论;圈量子理论则从广义相对论出发,试图量化量子本身,但该理论仍在发展中。
新研究:统一引力的尝试
这项新研究由芬兰的两位科学家进行。他们认为之前对引力的理解是错误的,不应将其置于时空弯曲的框架下,而应把引力当作一种基本作用力,其介质是自旋为 2 的玻色子(其他三种力的玻色子自旋为 1)。
为构建自旋为 2 的玻色子,他们引入了四个新的玻色子,分别对应时空的四个方向。这四个玻色子协同工作可产生引力效应,摒弃了时空弯曲产生引力的观点。因为时空弯曲存在弦转曲率,会导致广义相对论公式中出现无穷大等无法解决的问题,且时空弯曲无法定义在固定场中,公式里会出现无法抵消的无穷大或无穷小项。而电磁、弱力和强力可用电子质量和电荷抵消这些无穷项。
新理论的推导:远平行引力概念
提出自旋为 2 的引粒子模型后,他们可以推导出广义相对论,即爱因斯坦的引力方程。关键在于远平行引力的概念,爱因斯坦本人在上个世纪 20 年代就提出过。
在广义相对论中,重物使周围时空弯曲产生引力;而在远平行宇宙概念中,时空是平的,但引力子有绕率,能让粒子传播过程中扭曲变形,产生与传统引力一样的效果。这种引力子的扭曲和扰动与时空曲率存在对应关系,排除了时空弯曲对引力方程的影响,使引力能纳入量子力学框架。
新理论的问题与意义
不过,该理论并非没有问题。他们在操作过程中消除了爱因斯坦理论中的对称性,保留不对称效果以消除无穷项。而且,由于引入四个玻色子导出自旋为 2 的引力子,量子物理学家难以接受这种使事情复杂的概念,实验物理学家也无从验证。
然而,如同复杂的 12 维弦理论,这个新理论给我们带来了新的启发,让我们重新审视引力。也许引力本身就是一种基本力,只是我们对引力子的认识有限。新的数学形式将自旋为 2 的引力子作为引力媒介,通过四个自旋为 1 的玻色子纳入规范场框架,有望统一引力和其他三种作用力,推动物理学大一统理论的进展。
一般来说,这类研究可能只是噱头或小修小补,但这个新理论很可能颠覆我们对引力的认识以及物理学大一统理论的发展。最后,感谢收看。