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廣義相對論表明重力本質是時空彎曲,科學家為何還要尋找重力子?

2024-09-28科學

在科學史的長河中,艾薩克·牛頓提出了一個革命性的概念——萬有重力。這一觀念在人類的心靈中播下了「重力」的種子,然而對於重力的實質,牛頓並未做出詳細闡述,他僅僅給出了其數學公式,並教導我們如何套用它。

緊隨其後,艾拔·愛因斯坦在牛頓理論的基礎上,對重力本質進行了更深層次的闡釋,提出它是由時空的彎曲所引起,並對牛頓重力公式的數值進行了修正。盡管愛因斯坦的詮釋涉及的是一種宏觀現象,卻在科學界掀起了波瀾。

20世紀20年代,量子力學的興起讓科學家們開始從微觀層面重新審視世界,「量子化」一時成為物理學研究的潮流。隨著量子理論如雨後春筍般湧現,人類對宇宙的認知被徹底顛覆,這一系列的成就也標誌著物理學的繁榮時期。

然而,盡管「標準模型」——量子力學的豐碑成功整合了電磁力、強力和弱力這三種基本力,並找到了相應的媒介粒子,代表重力的重力子卻始終未被發現。

為何我們堅信重力子的存在?

讓我們簡單回顧一下量子理論。量子理論的核心在於用量子概念來闡釋世間萬物,包括物質以及各種作用力。

何為量子?

量子並非具體的物質實體,而是人類創造的一個抽象概念,更類似於一個類別。這個類別中的微觀粒子最顯著的特性是其「波粒二象性」。波,是概率波;粒,則是經典的點狀物質。這兩種特性此起彼伏。

描述物質實體的量子統稱為費米子,如質子、電子和中子;傳遞各種作用力的量子則統稱為玻色子,如光子。

作為物質體子的費米子,其「粒子性」尤為明顯。物質由這些粒子構成,它們是經典原子理論的升級版,易於我們理解。猶如高樓大廈由磚瓦壘成,但這些物質體子與經典物質的確定性不同,它們具有不確定的量子態。

而玻色子,即傳遞作用力的量子,對很多人來說難以理解。在量子力學中,各種作用力被視作由具有最小單位的離散能量包交換產生的。

膠子(強相互作用媒介)、光子(電磁相互作用媒介)、w玻色子和z玻色子(弱相互作用媒介)的發現,似乎印證了標準模型對傳遞力的構想,因此重力自然應該有一個媒介粒子,即「重力子」。

然而,重力子至今仍未被找到。如果重力子不存在,那麽標準模型就只能算是一個過渡理論,尚不能成為終極理論。

相對論與量子力學是背道而馳的兩大理論。

愛因斯坦的相對論為解釋宇宙提供了另一途徑。盡管它能完美闡述重力即時空的扭曲,卻無法涵蓋自然界的其他三種基本力。

在相對論中,「力」的概念根本就不存在,它被轉換成了時空的幾何效應。正因為這個原因,它無法與量子力學的三大基礎力描述相融合。

但追求統一所有自然力始終是物理學的最高目標。鑒於量子力學已成功整合三大基礎力,科學家們自然對其寄予厚望,不懈追尋最終的重力子。

然而,如果假設重力子存在,標準模型的數學公式也無法準確計算出重力數值,因為該理論自始至終無法包容重力。

為何會這樣?因為它與能精確描述重力的相對論完全相悖。

量子力學與廣義相對論就像兩位性格不合的天才

事實上,若分別用量子力學與相對論來描述微觀世界與宏觀世界,它們在各自的領域都近乎完美。

量子理論在描述原子和亞原子粒子方面獨樹一幟。廣義相對論則在解釋宇宙現象上,帶給我們黑洞、宇宙膨脹等驚人理論。然而,這兩大理論卻完全無法相容。它們的基礎假設、數學方法和物理影像截然不同。量子理論基於離散能量包(「量子」)和亞原子粒子間的相互作用;相對論則基於平滑連續的時空。

然而,宏觀與微觀僅是人為劃分,宇宙本身不應割裂。難道描述宇宙運作規律,真的需要兩套理論嗎?

物理學家的回答顯然是否定的。因此,在追求大統一理論的道路上,重力子成了一個至關重要的預言。

然而,在追尋重力子的征途中,我們一次次碰壁,再加上標準模型無法解釋的暗物質之謎,讓許多科學家對「集郵式」發展的標準模型感到失望。

本質上,科學家們追尋的並非僅僅是重力子,而是一個能夠統一所有物理規則的終極理論。

而在量子力學的最高成就——標準模型中,唯獨缺失重力子。如果能夠發現它,無疑將我們對終極理論的探索大大推進一步。