引力和电磁力的对话.doc

引力和电磁力的对话刘岩引力是人类最早认识的一种相互作用。1687年出版的牛顿的划时代巨著论自然哲学的数学原理一书中描述了引力作用的基本形式，但是引力的本源是什么，却一直没有找到答案。1915年，爱因斯坦基于物质的惯性质量与引力质量的等效性建立了广义相对论，广义相对论用时空的弯曲来解释引力的本质，但是，这仍然是一种唯象的描述，没有触及引力的本质。到了20世纪70年代，理论物理学家们基本上达成了共识，那就是，要想从微观层面揭示出引力的本质，必须将相对论和物理学的另一大理论量子理论融合，即所谓的引力的量子化。这一努力经过20余年的探索最终以失败告终，到了20世纪90年代中期，霍金不无感慨地说，引力和量子理论是水和油一样不相融的。但是，由于引力的本质困惑人类太久，揭开它的本质和人类跨跃到第三类文明有最直接的关系，所以，年轻一代的理论物理学家仍然勇敢上阵。20世纪80年代初，美国普林斯顿大学的青年理论物理学家爱德华威腾引入弦理论去揭示引力的本质，给引力理论带来一线希望。但是，更深入的探索却又一次令人失望，虽然从理信论上看，弦理论可以解释引力，但是，它却无法告诉人类如何从技术上实现克服引力。所以，喧闹一时的弦理论到了21世纪已经基本上被划上了句号。20世纪90年代和引力理论相关的发现就是宇宙的暗物质与暗能量。据测算，人类可视的物质只占宇宙总质量的6%，其余的都是暗物质与暗能量。要想揭示引力的本质，又一个无法回避的题就是引力和暗物质，暗能量之间的关系。而要回答这个问题，比揭示引力的本质更加困难。说到这里，人们自然会问，引力为什么如此复杂？而电磁力却早在麦克斯韦尔时代就被揭示出来？答案很简单。电磁力的作用中介是光子，而光子不带电荷，它一旦从电子中被发射出来，就不会再与电荷发生电耗合，光子和光子这间也不会发生电耗合，所以，描述电磁作用的方程很简单，数学上容易处理。但是，引力就不同了，引力作用于任何有质量的物质，目前已知的所有粒子都会与引力发生作用，即耠合。从量子场论的处理方法出发去描述引力相互作用，一个难以逾越的数学障碍出现了，由于引力和所有的粒子都发生耦合，当用粒格朗日函数处理引力场时，如何找到与引力发生作用的所有耦合常数，并将它们添加到方程中，这在数学上是无法处理的。在标准单位制中，万有引力常数的量纲是个负值为-2，当用量子场论方法积分拉氏函数时，这个函数是发散的，意味着这个函数描述的相互作用量无穷大。当增加新的与引力耦合的作用项时，耦合常数是量纲更是负值，为-3、-4、-5，含这样的项的函数积分时更是高阶无穷大。所以，用经典的量子场论方法处理引力显出是失败的。这是为什么呢？原因很简单，由于引力相互作用的中介物质引力子本身有质量，它不但会和场源的物质作用，并且，引力子之间也会相互作用，面对如此复杂的一个作用过程，采用移植从描述电磁相互作用而发展起来的量子理论，显然是不正确的。那么，是否意味着引力本质的揭示又走入了绝境呢？事情还没有如此糟糕。21世纪的物理学它们已经深刻认识到了，如果没有新的物理实验作支撑，仅靠旧的概念和旧理论的简单组合，是永远不可能揭示出引力本质的。前几年发射升空的阿尔法磁普仪就是希望从实验上找到可能与引力相关的宇宙暗物质的信息。目前，摆在人类面前的基本情况是，引力的本质远比过去想象的复杂。与引力最直接相关的，质量的来源这些最根本的问题依然没有突破。虽然早在20世纪60年代英国物理学家希格斯就预言了真空中的量子起伏伴随一种新粒子希格斯子，它赋予任何粒子质量。这个理论看似美好，但从很大呈度上看，是一种惯性思维，真空中的量子涨落为什么会给粒子赋予质量？问题依然没有答案。由于引力和电磁力都是长程相互作用，并且它们二者的宏观作用形式相近，所以，曾吸引20世纪多位顶级理论理学家为二者的统一倾注心血。从爱因斯坦、爱丁顿到韦尔，但问题一直没有答案。那时的物理学家都试图增加空间的维数包含引力作用，如有采用五维空间的，被称为卡鲁查一克莱因理论，也有采用十二维空间的等等。由于引力和已知的所有粒子都发生相互作用，所以，描述引力的空间一定是维数级高的，我认为至少是应该超过30维的空间，只有这样大的一个对称群才能包容下引力相互作用。20世纪电磁相互作用的量子化处理的成功源于电磁相互作用的媒介光子的基本性质。它不带电荷，正是这一性质，使得电磁相互作用在数学上容易处理。相比之下，引力就大相径庭了，引力和已知所有的粒子作用，所以，引力比起电磁力是一种更普遍的相互作用，电磁力只是个特例。并且，引力还涉及宇宙暗物质，这就更使得引力的本质变得复杂起来。从人类物理学发展史可以看出，虽然电磁相互作用直到18世纪才由法拉第从实验上揭示，到19世纪中叶由麦克斯韦尔在理论上完善，晚于牛顿提出万有引力理论近一个世纪，但是，电磁相互作用却是人类最早完整揭示本质，并能成功应用于人类生活各个角落的相互作用。相比之下，引力就逊色多了，虽然已经过了四个世纪，引力的本质仍就是一团迷雾。现在回过头去看20世纪60年代后引力的探索历程，之所以失败，源于在没有任何关于引力的新的实验结果的基础上，寄希望于原有概念，理论的简单组合，这种组合，没有实验基础，自然而然不会成功。