引力子：粒子物理学的最后一块拼图，可能引发物理学革命

　　从亚里士多德物理学到牛顿力学，从爱因斯坦相对论到弦理论，我们对引力了解得越多，它就越不愿意遵守我们现有的规则。

　　第一个认真解释引力的尝试来自亚里士多德，他相信所有的事物都有一种天生的“欲望”，想要根据引力移动到它们所属的地方。他在《物理学》中解释道，在地球为宇宙中心的地心模型中，像地球和水这样的重物体被吸引到中心，而像火和空气这样的轻物体被向上拉，因为那是它们的起源。他说：“每个事物都有一个合适的地方，对于局部和整体都是一样的，例如对于整个地球和一块土地或火焰和火花”。

　　在此后的几个世纪里，我们对引力的理解已经变得更加精细，然而，引力已经证明它本身比亚里士多德所能想象的还要奇怪得多。

　　尺度很重要

　　在一个尺度上奏效的东西，在另一个尺度上就失效了。对于超大质量恒星行为的最佳解释，在量子层面上的应用会产生荒谬的结果。

　　据传，1666年，牛顿坐在伍尔索普庄园的花园里，被一个落下的苹果击中头部，启发他建立了著名的重力方程。

　　G是引力常数，由亨利·卡文迪什于1797年首次测量

　　牛顿的万有引力定律解释了两个物体之间的引力与它们的质量成正比，与它们距离的平方成反比。

　　牛顿利用这个方程比以往任何时候都更精确地计算了行星的轨道，事实上，他还利用这个方程预测了太阳系外的大行星的存在，这些大行星后来被确定为海王星和天王星。在当时，牛顿对万有引力的解释是革命性的，在大约200年的时间里，尽管有一些不足之处，如未能解释水星绕太阳运行时近日点的进动。

　　随着科学的发展，很明显，牛顿引力理论不足以解释超大尺寸的物体。

　　对于非常大的物体，爱因斯坦的广义相对论开始奏效。这解释了空间和时间的扭曲取决于物体的质量。当它在1916年发表时，尽管遭到了很多质疑，但它解释了牛顿方程产生的异常，比如水星的轨道。从那时起，尽管这与直觉相悖，但它已经被无数次的实验证明，最近，2015年首次探测到重力波，2019年首次拍摄到银河系黑洞的照片。尽管相对论取得了成功，但它仍难以解释暗能量和时空奇点。

　　另一方面，引力对极小的物体几乎没有意义。在这个尺度上，物理学家依靠量子力学来解释粒子在选择一种状态之前存在的可能性。根据量子力学先驱之一沃纳·海森堡的说法，“原子或基本粒子本身是不真实的；它们构成了一个充满可能性的世界。”

　　在这个尺度上，引力太弱，无法测量，而爱因斯坦的相对论在根本上是不相容的。试图将量子力学与相对论结合成万物理论是物理学中最重要的问题。这种理论的主要竞争者是弦理论，尽管它还没有被物理学界完全接受。

　　难以捉摸的引力子

　　重力是唯一尚未发现载体的基本力，它甚至可能不存在。根据量子力学，基本力是由基本粒子产生的。除了重力之外，所有的基本力都能发现这些载体（光子是电磁力的载体，胶子是强核力的载体，W和Z玻色子是弱核力的载体）。

　　强核力负责将质子和中子以及组成它们的夸克结合在一起，它的载体是胶子；W玻色子和Z玻色子负责携带导致原子放射性衰变的弱核力；而电磁力的载体是光子。理论上，引力的载体是引力子。找到它是下一代粒子加速器的目标之一。

　　粒子物理学标准模型

　　如果发现了引力子，问题不会就此结束。首先，目前已知的3种载流子很好地符合粒子物理学的标准模型，也就是量子粒子的周期表。然而，引力子并没有合适的位置。第二，引力子在数学上是有问题的。在量子力学中，在进行计算时出现无穷大是很常见的，这使得不可能得到一个合理的答案。这些无穷大通过重整化的过程来处理，本质上就是增加相反的项来消去它们。然而，引力子的数学将涉及无限多的无穷大，使重整化本身不可能。

　　作用范围

　　由于一些尚待解释的原因，引力比其他基本力要弱几个数量级。顾名思义，强核力是最强的，它比电磁强100多倍，比弱核力强100多万倍，比引力强10^38倍。

　　虽然引力似乎更强，但这只是因为它的范围最大，但在小尺度上，引力几乎是无关紧要的。更具体地说，强核力的作用范围是10^（-15）米；弱力的范围约为10^（-18）米；重力和电磁力都遵循平方反比定律，但电磁力往往会自我抵消，让重力在大尺度上占主导地位。

　　对于物理学家来说，引力为什么这么弱是一个悬而未决的问题。最主要的解释之一是存在其他维度，这些维度被假设为非常小，只有量子粒子才能与它们相互作用。因此，如果重力通过4个时空维度以外的额外维度传播，那么这可能解释了为什么它的一些能量似乎丢失了。

　　弦理论是答案吗

　　
我们理解引力的最大希望在于弦理论。如果它是正确的，宇宙是由1维弦和10维相互作用组成的（弦振动产生不同的粒子）。利用弦理论，物理学家已经成功地理解了所有尺度的引力，导出了引力子的存在，并解释了为什么引力比其他基本力要弱得多。

　　然而，由于弦理论的复杂性，它有很多可能的解，它缺乏可预测性，它缺乏实验证据。李·斯莫林是弦理论的批评者，他认为，物理学界已经走错了方向。他说：“一些弦理论学家宁愿相信弦理论太神秘而无法被人类理解，也不愿考虑它可能是错的。”如果他是对的而弦理论是错的，那么我们是否能真正理解引力就值得怀疑了。