引力和電磁力的對話

■劉巖

引力是人類最早認識的一種相互作用。1687年出版的牛頓的劃時代巨著《論自然哲學的數(shù)學原理》一書中描述了引力作用的基本形式，但是引力的本源是什么，卻一直沒有找到答案。1915年，愛因斯坦基于物質的慣性質量與引力質量的等效性建立了廣義相對論，廣義相對論用時空的彎曲來解釋引力的本質，但是，這仍然是一種表面的描述，沒有觸及引力的本質。

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

但是，由于引力的本質困惑人類太久，揭開它的本質和人類跨越到第三類文明有最直接的關系，所以，年輕一代的理論物理學家仍然勇敢上陣。20世紀80年代初，美國普林斯頓大學的青年理論物理學家愛德華·威騰引入弦理論去揭示引力的本質，給引力理論帶來一線希望。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，它卻無法告訴人類如何從技術上實現(xiàn)克服引力。所以，喧鬧一時的弦理論到了21世紀已經基本上被畫上了句號。

20世紀90年代和引力理論相關的發(fā)現(xiàn)就是宇宙的暗物質與暗能量。據測算，人類可視的物質只占宇宙總質量的6%，其余的都是暗物質與暗能量。要想揭示引力的本質，又一個無法回避的問題就是引力和暗物質、暗能量之間的關系。而要回答這個問題，比揭示引力的本質更加困難。

說到這里，人們自然會問，引力為什么如此復雜？而電磁力卻早在麥克斯韋爾時代就被揭示出來？答案很簡單，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，就不會再與電荷發(fā)生電耦合，光子和光子之間也不會發(fā)生電耦合，所以描述電磁作用的方程很簡單，數(shù)學上容易處理。

但是，引力就不同了，引力作用于任何有質量的物質，目前已知的所有粒子都會與引力發(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，一個難以逾越的數(shù)學障礙出現(xiàn)了，由于引力和所有的粒子都發(fā)生耦合，當用拉格朗日函數(shù)處理引力場時，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)學上是無法處理的。

在標準單位制中，萬有引力常數(shù)的量綱是個負值，為-2，當用量子理論方法積分拉氏函數(shù)時，這個函數(shù)是發(fā)散的，意味著這個函數(shù)描述的相互作用量無窮大。當增加新的與引力耦合的作用項時，耦合常數(shù)是量綱更是負值，為-3、-4、-5，含這樣的項的函數(shù)積分時更是高階無窮大。

所以，用經典的量子理論方法處理引力顯出是失敗的。這是為什么呢？原因很簡單，由于引力相互作用的中介物質——引力子本身有質量，它不但會和場源的物質作用，并且，引力子之間也會相互作用。面對如此復雜的一個作用過程，采用移植從描述電磁相互作用而發(fā)展起來的量子理論，顯然是不正確的。

那么，是否意味著對引力本質的揭示又走入了絕境呢？事情還沒有如此糟糕。21世紀的物理學家已經深刻認識到如果沒有新的物理實驗作支撐，僅靠舊的概念和舊理論的簡單組合，是永遠不可能揭示出引力本質的。

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

目前，擺在人類面前的基本情況是，引力的本質遠比過去想象的復雜。與引力最直接相關的，質量的來源這些最根本的問題依然沒有突破。雖然早在20世紀60年代英國物理學家希格斯就預言了真空中的量子起伏伴隨一種新粒子——希格斯子，它賦予任何粒子質量。這個理論看似美好，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給粒子賦予質量？問題依然沒有答案。

由于引力和電磁力都是相互作用的，并且它們二者的宏觀作用形式相近，所以，曾吸引20世紀多位頂級理論物理學家為二者的統(tǒng)一傾注心血。從愛因斯坦、愛丁頓到韋爾，但問題一直沒有答案。那時的物理學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，我認為至少是應該超過三十維的空間，只有這樣大的一個對稱群才能包容下引力相互作用。

20世紀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。它不帶電荷，正是這一性質，使得電磁相互作用在數(shù)學上容易處理。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，電磁力只是個特例。并且引力還涉及宇宙暗物質，這就更使得引力的本質變得復雜起來。

從人類物理學發(fā)展史可以看出，雖然電磁相互作用直到18世紀才由法拉第從實驗上揭示，到19世紀中葉由麥克斯韋爾在理論上完善，晚于牛頓提出萬有引力理論近一個世紀，但是，電磁相互作用卻是人類最早完整揭示本質，并能成功應用于人類生活各個角落的相互作用。

相比之下，引力就遜色多了，雖然已經過了四個世紀，引力的本質仍舊是一團迷霧。

現(xiàn)在回過頭去看20世紀60年代后引力的探索歷程，之所以失敗，源于在沒有任何關于引力的新的實驗結果的基礎上，寄希望于原有概念、理論的簡單組合，這種組合沒有實驗基礎，自然而然不會成功。

21世紀的物理學家們已經清醒了許多，更多地寄希望于發(fā)現(xiàn)與引力相關的新的實驗現(xiàn)象，宇宙暗物質的發(fā)現(xiàn)就是一個良好的開端。

相信隨著新的實驗技術的出現(xiàn)，在21世紀，將會發(fā)現(xiàn)更多與引力相關的新的實驗現(xiàn)象，人類會一步一步接近引力的本源。