引力简史
2019-03-01 10:30

引力简史

本文来自微信公众号:新原理研究所(ID:newprincipia),文:大大,图:潘潘


引力,是我们最熟悉的概念之一,但我们却很少会去思考它的存在。只有在看到苹果从树上掉落,或者想要飞檐走壁逃离地球表面,又或者在某一天地球真的要开始流浪飞掠木星时,我们才可能真真切切地感受到引力在发挥作用。


那么,究竟什么是引力?


这个故事,要从开普勒时代说起......





现在,你或许会认为我们已经完全搞清楚了跟引力有关的一切。但事实却是,我们对它仍然知之甚少。虽然在过去的100年中,广义相对论完美地通过了所有的实验检验,但它依然让物理学家头疼不已。这不仅仅体现在广义相对论的核心方程极难求解(任何学过这门课的学生都应该深有体会),还因为它与物理学的另一基石——量子理论无法兼容。基于量子理论,物理学家在上个世纪发展出了“标准模型”。该模型成功地描述了所有已知的基本粒子和其他三种基本力——电磁力、弱核力和强核力,唯独不能将引力囊括进来。


爱因斯坦告诉我们,引力是时空的弯曲。但在标准模型中,粒子之间的相互作用是由载力粒子传递的,比如电磁力是由光子传递的,强核力是由胶子传递,弱核力是由W和Z玻色子传递的。那么,引力有可能也是由某种粒子交换而产生的吗?为了连接引力和量子理论,物理学家提出了一种全新的假想粒子——引力子(就像光子一样,引力子没有质量)


引力子很难被探测到,主要是因为它太弱了。是的,引力作为自然界中已知的四种基本力之一,它要比其他三种力弱得多。比如一块小磁铁可以抵抗整个地球的引力——轻而易举地从桌面上吸起一枚曲别针,可见磁力远比引力强大。可这是为什么?没有人知道。有物理学家认为,很可能是因为引力会进入额外维度,从而强度被稀释。虽然这是一种可能性,但仍只是假想。


当我们想要理解宇宙大爆炸和黑洞的奇点时,就迫切需要一个能统一广义相对论和量子理论的量子引力理论。在过去的几十年,物理学家发展了许多理论,包括弦理论、圈量子引力、因果动态三角剖分、渐进安全等等,这都是一些雄心勃勃的尝试,但它们至今都没能得到过任何实验的支持。


引力不仅使我们牢牢地站在地面,它也支配了行星的运动,将星系束缚在一起,并且决定了宇宙自身的结构以及最终的命运。因此,揭开引力的谜题对我们理解宇宙至关重要。或许有一天我们终会找到假想的引力子,理解黑洞内部发生的事情,以及解开宇宙的起源之谜。


本文来自微信公众号:新原理研究所(ID:newprincipia),文:大大,图:潘潘

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