34. 引力的本质是什么？What is the nature of gravity?

欧洲英国中世纪的一天，一个小孩在苹果树下休息，他忽然看见苹果从树上落在了草地上，他拿起地上的苹果，很好奇地想：为什么苹果要向下落而不是向上跑呢？

图1 一个孩子在苹果树下的思考

被这个问题纠缠的孩子后来进入英国剑桥大学的三一学院学习，期间由于全球疫情学校停课，他回到了家乡林肯郡的一个小村庄，有一天他在自己父亲的农庄里又一次看到了苹果落地的现象，于是他忽然明白：苹果和月亮以及地球的运动应该都是源于同一种力：万有引力。

图2 牛顿在庄园里思考苹果落地

这个孩子就是后来大名鼎鼎的英国物理学家牛顿，他把他的发现写在一部划时代的著作：《自然哲学的数学原理》里，并建立了宏观物质运动的牛顿力学。

万有引力是第一个被发现的力，但却是最后一个没有被最终统一的力，所以万有引力为什么这么特殊，它和其他三种力：强力、电磁力和弱力相比，为什么存在如此之大的差别？

万有引力的力源是质量，只要物体或粒子有质量，它们之间就存在和距离平方成反比的万有引力。虽然这种力看起来非常微弱，其大小大概是电磁力的10的负42次方，也就是在电磁力的面前万有引力几乎就等同于零，但它却是太阳系结构和整个宇宙宏观图像的缔造者。如果质量足够大，它能构造太阳、超新星和黑洞这样奇异的超大质量极端天体。

图3 万有引力下银河系星体的运动

引力的特殊性不仅仅不在于它比其他三种力都弱这一点，另一个特殊的地方就是描写它的广义相对论和量子力学理论表述上存在根本性的冲突。现在描写万有引力的正统理论是广义相对论，广义相对论中的引力被解释为时空弯曲，一切有质量的物体周围其时空都会被扭曲，物质在扭曲的时空中按照时空最短路径：测地线运行。然而这个理论的基础是建立在时空连续的基础之上的，但这个图像在微观尺度下却无法与量子理论获得统一。按照量子理论在微观尺度内引力所对应的时空弯曲存在强烈涨落，在非常小的时空尺度内引力场的时空弯曲会发生强烈涨落而丧失引力所对应的连续时空图像。也就是在微观尺度内引力场的时空一定无法光滑存在，这种时空弯曲是不确定的，时空在微观尺度并不是光滑连续或无限可分的，广义相对论的描述方式在微观似乎是失效的。

图4 万有引力的时空弯曲效应示意图

广义相对论和量子理论在微观尺度上的不和谐也许是这两个理论的出发点本质上就是不同的。广义相对论用时空弯曲去解释引力实质上是一种引力等效，反过来弯曲的时空也会等效为一种力，引力的本质是质量，所以考虑引力在微观尺度的时空不连续必须等效为质量的涨落，而质量的涨落在大尺度时是非常小的，只有在高能的时候涨落才会变大。而量子力学之中根本就不考虑时空的任何结构，其研究对象就是在某种力场中运动的粒子，其行为满足量子力学的统计规律。所以如果要考虑引力在微观尺度的涨落，只有考虑传递万有引力的引力子的涨落才是合理的，然而引力子到现在并没有被发现。

图5 万有引力的引力子传递示意图

这就是万有引力第三个非常特殊的方面，万有引力和基本粒子的标准模型格格不入。在标准模型的框架之内强力、电磁力和弱力都是非常自然地被标准模型所整合，唯独引力很难被标准模型所统一。标准模型认为强力、电磁力、弱力都是物质间交换基本粒子来传递的，强力通过胶子、电磁力通过光子，弱力通过规范波色子(W和Z波色子)传递，感觉非常完美。那么根据这个理论，万有引力必然也存在传递它的粒子，那就是引力子，而且根据引力的特征，标准模型理论预言引力子是一种质量为零自旋为2的粒子。然而事实上，人们到现在也没有发现引力子存在的任何证据。

图6 完美的标准模型给出的粒子分类

所以为了将引力统一在标准模型的逻辑框架之内，理论物理学家提出了超弦理论，终于将引力和其他三种力统一在一起。然而为了让超弦理论符合已有的正确理论，超弦理论给出了令人难以理解的结果，比如所有超弦理论都要求时空至少是10维的，显然这一结果必须要能解释我们看到的为什么是4维时空这个问题，于是又有空间弯曲隐藏的更为玄妙的解释出现。而且超对称理论还预言所谓的超对称粒子，而这个目前看来就像是空头支票。而且更糟糕的是根据超弦理论所采用的超对称群的不同，超弦理论至少也能有5个不同版本，到底哪一个是正确的，大家都是各执一词，谁是谁非只有等待更高能量的粒子物理实验来进行检验了。

图7 包含万有引力的大统一理论模型的M理论框架

总之，以上对万有引力的统一造成了更多的麻烦和问题，所以万有引力这种格格不入的性质为物理学大统一理论带来了巨大阻力。而这还不是引力特殊性质的全部，因为万有引力的大小和质量有关，而质量又和力引起的运动联系在一起，这就是惯性质量。惯性质量和引力质量的不可区分又为引力的统一增加了一重难度。所以引力和时空的紧密关联是其他力所不具有的，其他三种力对粒子所产生的加速度（惯性质量）和力本身（引力质量）没有任何关联，但引力则不同，这就是为什么广义相对论可以用时空的弯曲来等效的原因，而其他的力则并不存在这样的性质，这个事实最终也造成了前面所讲的万有引力与量子力学的矛盾。万有引力和时空紧密联系，而其他力则根本不用关心时间和空间的结构。

图8 宇宙中第5种力为万有引力统一提供线索

所以，万有引力的本质到底是什么，现在看来它并非像苹果落地那么简单，而引力这种宏观力的产生是否有存在更加本质的原因？在宇宙更大尺度上是否还存在第5种力，它才能让万有引力的统一获得最简单的线索？