我們還沒有了解引力

陳文廣

超弦理論

引力是什么？牛頓認為它是兩個有質量的物體之間的吸引，愛因斯坦的廣義相對論認為它是一種時空彎曲，量子力學則認為它是由一種被稱為引力子的粒子在不同物質之間的交換產生的。廣義相對論是對的，量子力學也是對的，這兩套理論在引力問題上的矛盾在告訴我們，引力是什么，我們確實還沒有真正弄清楚。

也許引力根本不是我們想的那樣子，有人認為引力可能是某種“弦”產生，有人認為它是由某種“場”產生，這兩種看法分別來自于超弦理論和圈量子引力理論。更有趣的是，有人甚至認為引力根本就不存在，它不是一種力，而是一種熵增現象，這是怎么一回事呢？

引力是超弦的一種振動模式？

蘋果可以平分成兩份，兩份又可以分成四份，四份又可以分成八份，貌似可以無限分下去，直到不能再分為止。那么，什么是組成物質最小的單位（即基本粒子）呢？1789年，法國科學家拉瓦錫定義了原子一詞，認為原子是化學變化中的最小的單位。19世紀初期以后人類發現了比原子還小的中子和質子，20世紀發現了比質子和中子更小的其他強子，20世紀中期發現了強子的組成單位——夸克。夸克還可以再分嗎？

“弦”相互作用

已經沒有人能把夸克分開了，但很快有科學家提出：也許，在基本粒子的內部，還存在著更細微的某種未知的東西在決定著這個世界的現象和規律，這個更細微的東西也許能解開廣義相對論和量子力學的矛盾之結。超弦理論就是在這種思想下提出來的，該理論認為，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克等等這樣的基本粒子，這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的“弦”——在每一個基本粒子內部，都有一根細細的線在振動，就像小提琴琴弦的振動一樣，因此這根細細的線就被科學家形象地稱為“弦”。

空間依附場線而存在

撥動吉他一根弦，你會聽到一個音。撥動另一根弦，你會聽到另一個不同的音調，因為不同的弦振動的模式不同。一個音樂家通過一個吉他的六弦合奏，使這些弦在不同頻率振動，便可創造出無數美妙的音樂。像琴弦的不同振動模式彈出不同的樂音那樣，粒子內部的弦也有不同的振動模式，只不過這種弦的振動不是產生什么音樂，而是產生一個個粒子。不同粒子的性質由弦的不同振動模式來決定，各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已——電子是以某種方式振動的弦，上夸克又是以另一種方式振動的弦，如此等等。弦振動地越劇烈，粒子的能量（質量）就越大;振動地越輕柔，粒子的能量（質量）就越小。

弦本身很簡單，只是一根極微小的線，弦可以閉合成圈（閉弦），也可以打開，看起來像頭發一樣（開弦）。弦可以分解成更細小的弦，也能與別的弦碰撞構成更長的弦。例如，一根開弦可以分裂成兩根小的開弦，也可以分裂成一根開弦和一根閉弦;一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦;兩根弦碰撞可以產生兩個新的弦。所以，自然界中所發生的一切相互作用，都可以用弦的分裂和結合來解釋。

在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性。現在我們可以理解，粒子的波動性就是由弦的振動產生的。物理學家還發現，弦的振動模式與粒子之間的四種相互作用力存在著直接的聯系——一根弦所產生的引力、電磁力、弱力和強力完全由它的振動模式決定。

弦的運動非常復雜，以至于三維空間已經無法容納它的運動軌跡，必須有高達十維的空間才能滿足它的運動，這是由弦的性質決定的。就像人的運動無法在二維平面中完成，只能在三維空間中完成一樣。所以超弦理論認為，這個世界的空間其實是有十個緯度的，除了我們生活的三維空間，還有七個我們不知道的空間維度（多出來的維度稱為額外維）。

不同維度下的物體的樣子

而宇宙開始于一個點，這個點隱藏了宇宙開始時刻的十維空間秘密。后來，這個點發生爆炸，意味著十維空間發生了崩裂。廣義相對論和量子力學只是不同緯度的物理規律的表現，從這個角度看，廣義相對論和量子力學是不矛盾的，它們不是完全處于同一個平臺上進行的比較。我們在生活的三維空間中看它們，如同管中窺豹一樣看不全面，覺得它們矛盾也是可以理解的。

圈量子引力理論

不過，額外維度是很難被人接受的，從感性上說，我們生活在一個已經熟悉的三位空間的世界里面，從理性上說，至今沒有探測到任何其他的空間維度，它只存在于理論中。相比于超弦理論，有一種叫做圈量子引力的理論似乎更加“實在”，這種理論僅僅基于我們生活的四維時空（三維空間，一維時間），不增加任何額外維度。圈量子理論還是從困擾當今物理學界的引力量子化（廣義相對論中，引力是連續的，引力量子化就是試圖將引力描述成一份一份的引力子）的角度出發，來實現大一統。

圈量子引力理論

那么什么是圈量子引力理論呢？圈量子理論的“圈”，其實是來自場的性質：物質產生場，例如電荷產生電場，磁性物質產生磁場。場線由物質出發，也結束于物質。如果空間沒有物質的話，場線是會自我閉合的，自我閉合的場線看起來就像一個圈。以電場為例，電場線從正電荷指向負電荷。觀察電場線的分布我們會發現，它們往往呈對稱分布。如果把正負電荷拿開，兩條對稱的電場線就會閉合成一個圈。

圈量子理論主張將場和物質都用場線來描述。如何做到這一點呢？場線本身就是為了描述場的性質而引入的，只需將物質定義為場線的節點（交點）就好了，例如電場線的交點代表了正負電荷。物質代表了空間，空間變成了點。也就是說，在圈量子理論中，空間不再是客觀實體，它只能依附場線而存在。場線，能主宰一切空間和物理作用。失去了空間的基礎，原先的量子力學和廣義相對論都要在圈量子引力理論的框架內改寫，這可以導致量子力學和廣義相對論的矛盾消失——例如量子力學的空間不確定性和廣義相對論的空間確定性的沖突不復存在。在圈量子引力的理論中，量子力學和廣義相對論達到新的統一。

目前，超弦理論和圈量子引力理論還只是處于假想階段，無法進行任何驗證，而且這兩種理論也在不斷的發展和更新中。我們期待，它們會取得更大的突破。

引力真的是一種基本力嗎？

荷蘭物理學家埃里克·弗林德認為，引力不是一種基本作用力，它其實根本不存在。引力只是一種熵變現象，或者可以將引力稱為一種“熵力”。理解熵力之前，我們先了解熵是什么：熵是熱力學中描述體系混亂程度的參量。熵越大，表示體系的混亂程度越大。而且根據熱力學第二定律：在自然過程中，一個孤立系統的總混亂度（即“熵”）不會減小。這意味著，如果不施加外界約束，體系變得混亂是自然而然的事情，熵增大是一種自發的過程。

那么什么是混亂呢？其實，混亂是相對于有序來說的，有序意味著分子排列有一定的規則。例如一塊糖，它的分子是排列整齊的、有序的，但是如果把它放到水里，它會融到水中，變得無序和混亂。又例如，在房間里，我們噴下幾滴香水，香水分子很快開始互相遠離并向四周散去，導致香水味很快便充滿房間。以上過程都是熵增的現象，且都沒有發生力的作用，但是為了便于理解，我們假設存在一個“熵力”施加于粒子之間，促使這些粒子便混亂，使得熵增現象發生。

那么，引力為什么說是一種熵力呢？熵增是粒子秩序變得更加混亂的過程，可以理解為粒子的重新分布。而宏觀物體就是由粒子所組成，物體的分布的改變也就意味著熵的改變。弗林德認為，兩個物體內部，以及這兩個物體周圍的環境中粒子的集中程度是不一樣的。一個物體被另一個物體吸引，并且試圖向另一個物體靠近，是一種自發的行為。因為它使粒子重新分布，體系變得更混亂，是一種熵增行為。這個過程中沒有力的作用，為了方便描述，我們可以說物體是受到了“熵力”的作用。

熵增：由有序變得混亂

從17世紀中期牛頓發現萬有引力以來，人類認識引力的歷史已經跨越了四個世紀。從最初牛頓的萬有引力定律到現在先進的超弦理論、圈量子引力理論和“熵力”理論等等，人類的有關理論是越來越多了。但很遺憾，科學家對引力究竟是什么仍然沒有達成一致，我們仍然還沒搞清楚引力是什么東西。事實是，我們真的還不了解引力！