论文部分内容阅读
引力是什么?
早在20世纪30年代，科学界就已经知道宇宙中有四种基本力，即引力、电磁力、强力和弱力(后两种力在原子核内起作用)。其中，第一个被科学地探索的力是引力，可是迄今它仍然是一个谜!
“苹果成熟后落向地面”这一人们常见的事物，在400年前的牛顿眼中却成为问题。这个问题没有人能为他解答，只能由他自己去找答案。
这位大科学家最终得出结论：苹果之所以下落，是因为地球的引力所致。按他的说法，引力是一种力，作用在别的物体上，将使其改变运动(方向、速度)。牛顿的引力理论，一直被人们有效地应用。可是到了20世纪初叶，爱因斯坦的广义相对论问世，事情却出现了变化。
按相对论，引力并非像牛顿所描述的那么简单。在相对论的框架内，引力具有宇宙学的性质，并非是个别天体(物体)之力。在爱因斯坦的理论中，宇宙结物(即四维时空)中充满了物质(能量)的团块，因此空间被这些物质团块所弯曲是必然的。无论何物，它打算笔直地通过宇宙，但实际上它却是沿着一条曲线在运动。而这条曲线的曲率就是引力。因此，引力并非某一物体直接加在另一物体上的力，而是某一物体(具有质量)加在其周围空间的力。
虽然利用牛顿的引力理论，我们把宇航员送上了月球，十分精确地绘制出行星轨道图。但牛顿没有像爱因斯坦那样，对引力做出根本性的解释。牛顿理论在大尺度空间、高速运动或强引力场中，才能有效应用。尽管有了相对论，我们迄今尚不知道，物质(能量)和时空相结合所造成的现象，究竟具有怎样的本质特性。
物理学家在对其他三种力的研究中发现，它们都是通过放射某种粒子来传递力的。例如，电磁力就是带电粒子借放射光子来传递的。因此人们设想，引力也该如此。
但跟科学家的预期相反，他们陷入了困境。首先，人们做了很多努力，却始终未能找到传递引力的所谓引力子；其次，更糟糕的是，当量子场论(现代物理学中一种十分成功的理论)应用于引力时，总不能找到直接的答案。为何引力只有拉力?
其他三种基本的自然力，都有相反的力，例如电磁力，它既有引力也有斥力，这依赖于电荷的性质。那么，引力为何不如此呢?
这个答案似乎藏在量子场论之中。按这一理论，这些放射出强、弱、电磁力的粒子，都具有不同的“荷”，它们既可以为正，也可以为负，这就导致力的不同符号(即引力或斥力)。但就理论来说，引力子并非如此，因为粒子问题对应为物质(能量)的密度，所以永远是正的。
但一些科学家对此却有怀疑。惠生说：“其实我们并不知道，引力是否确切地仅是一种吸引力。”他认为，暗能量在加速膨胀宇宙空间，因此，有可能引力具有两种表现形式。一些物理学家也猜测，暗能量可能是一种排斥性的引力，但只是在很大尺度的空间中才显现出来。惠生说：“这在基本力中也有先例可循。例如强力，它在某种距离上具有吸引性；而在另一种距离上，则为斥力。”
引力和其他基本力之间的明显差异，现在还无法解释，科学界正在等待一种新的理论——万物论，因为它能对所有基本力做出单一理论框架内的叙述。现在，极大多数科学家都青睐所谓“超对称”的理论。按此理论，所有的粒子都具有孪生的兄弟粒子(唯质量较大)。但有的科学家认为，“超对称”理论并非是最终的答案，“很可能需要一种全新的概念来解决问题”。
引力为何如此微弱?
在四种基本力中，引力是最微弱的，可是这个弱者却支配着宇宙的命运。
你向上跳，只需稍稍用力就行。你那几千克的肌肉却可克服地球(重达6×1021千克)的引力。它的强度只有电磁力的1/1040。
虽然其他三种基本力的大小都不大，但它们大致上跟其作用距离相配，唯独引力不然。这是什么原因呢?
按现在一种新的理论(强磁)的说法，我们的宇宙空间不是三维，而是十维。引力之所以如此微弱，只因部分引力漏入到其他维空间。实际上，我们现在所说的只是其部分的力。
而另外的七维空间，都蜷缩得很小，无法观察到它们的存在，但它们将改变物质间甚小距离上的引力。因此，如果想验证这一理论，目前的方法是测量相距甚小的两物体间的引力。科学界迄今能做到的实验是相隔0.06毫米，不过没有找到什么变化。
科学界还有一个希望，寄托在欧洲核子研究所身上。它的威力甚大的大型强子对撞机，在其高速质子的碰撞中，质子被碰得粉碎从而产生许多粒子，其中有一些是罕有的或从未见过的粒子。这里要回溯到20世纪30年代，当时有些理论家想把电磁力和引力联系起来。德国数学家西奥多·卡鲁扎和瑞典物理学家奥斯卡·克莱因热衷此道，他们认为，当普通粒子进入其他维空间时，会发出“回声”，表明自己是一个更重的粒子。科学界称此为卡鲁扎－克莱因态。因此，若在对撞机的强子对撞中找到卡鲁扎－克莱因态的粒子，就能间接地说明其他维度的存在。不过，目前还是悬案。
为何引力调整的那么好?
要感谢引力的微弱，如果它稍微强一点，我们就不会存在于这个世界之中。在宇宙诞生的一瞬间，它产生了物质(它的更一般形式是能量)和膨胀着的时空。只有在这种时空中，物质才能存在。引力把它们拉拢，而空间膨胀却把物质粒子一步步地分散，使其相互间的吸引越来越弱，最终达到平衡。
在初生宇宙中，如果空间膨胀胜过引力，那么星星、星系和我们人类，永远休想出现；反之，若引力更强，那么所有的物质将很快积聚而塌缩，我们的宇宙早该结束了。
据科学家的计算，必须在宇宙诞生的第1秒内，膨胀便和引力取得平衡，其误差更在保持在1／1015之内，此后的生命才能得以形成。因此引力值G，也被称为大爆炸值G。
在所有的自然常数中，G是被精确调整过的，它的误差小到1／104。这为下一个自然常数(普朗克常数)做好了准备。普朗克常数极为精确，它的误差不超过2.5／106。普朗克常数是微观粒子世界的关键因素，是它促成了粒子的特性。
正是引力的微弱致使G难以测出，这是一个实验上的结果，并非理论有误。使得科学界感到困惑的，倒不是G的难测，而是这个G值到底来自何处?为何此值允许宇宙中出现生命?
一个简单而无法令人满意的回答是：若G值不是这般，我们就不会在这里观察它了。至于更深的答案，没有人知道。剑桥大学的拜罗说：“我们能测出其值，却不知道它从何而来。也许我们永远也不可能解释任何一个自然常数。”
引力是生命的必需品?
植物的确需要。大科学家达尔文说，生根的植物具有引力传感器，它有效地给出了上或下的方向；若把植物横着种下去，它的根须也会向着地心。 植物在空间生长，其根便会迷失方向，致使其无法有效地吸取养分和水，缺乏淀粉产物，是这种有害效应之一；有些在微重力环境中生长的种子，其植物基因的表达都有异于常规的基因。
动物若失去了引力，那将遇到大量问题，虽然目前我们尚不完全清楚整个事态会怎么样发展。加拿大生物学家华塞沙格说：“我们具有动物存活在空间达半个世纪的记录，但我们却没有单个哺乳动物的整个生命周期在空间如何存活的记录。”
在俄罗斯的空间站，密尔发现，鹌鹑蛋在空间比在地面孵出的少；在“发现”号航天飞机上曾做过一次实验，研究鹌鹑胚胎的发育情况，结果16个胚胎没有一个孵出。他们看到，蛋黄浮在蛋白中间(而在地面引力的条件下，蛋黄是挨着蛋壳的)，显然是在微重力的作用下，胚胎和蛋壳间的空气传递出现了问题，这对胚胎是致命的。退一步说，即便胚胎能存活，可以见到白天的亮光，它们也不会为自身做平衡和取向，从而导致觅食困难。
对人类来说，呼吸上也会产生问题。在空间，宇航员的肺容量会减小，这是因为没有重力把横隔膜往下拉；更糟的是，在微重力中，肝处于较高的位置，进一步减小了肺容量。这对短时间的空间旅行来说问题还不算严重，可如果一个婴儿出生、生长于空间，又将怎样呢?
华塞沙格说：“首先他将是肺容量较小的成人，有很多理由使人相信，这将产生严重的问题。例如，他无法将他的肺咳得清洁，而且当他进入性成熟期后，可能招致危险。又如骨骼的问题，我们的骨骼需要体重的张力，而在微重力中，这就成了问题。空间站人员在返回地面后进行的检查表明，人在微重力中，肌肉也会受到严重的损害；而对妇女来说，在微重力的环境下很难自然分娩。”
华塞沙格说，长期留在空间会有什么后果现在还不完全清楚，“因为我们对在微(或无)重力条件下成长和生活，了解得太少了”。
我们能屏蔽引力?
关于建立一个引力屏障的讨论已经有许多年了，不过它一直存在于科幻的同地，实际上还没有人真打算去做。俄罗斯科学家波得克莱诺夫曾尝试了一下。1992年，他发表了一篇文章，宣称在一个旋转着的陶瓷超导体圆盘周围测物体重量时，将减少2％。
2003年，澳大利亚研究中心的坦杰曼，在他的研究报告中说，他在欧洲空间局的资助下，正在从事类似于波得克莱诺夫的引力屏蔽实验。此后，他和欧洲空间局宣称，他们在一个旋转着的超导体附近的确测得一种效应，可以影响到引力。但其他研究者也做了类似的实验，不过未获成功。
从理论上说，相对论并不排除这种可能性：因引力而被弯曲的时空，可以不被弯曲。密苏里大学的物理学家麦里霍恩说：“通过适当地安排，有可能消除(或加强)引力效应。”
他在谈论其实验时说，这涉及一种所谓的引力—磁效应。根据相对论，旋转物体的质量将抓住其周围的时空，使其旋转。正如一个旋转的电荷产生一个磁场那样，旋转着的质量将产生一个引力一磁场。
既然如此，我们在真实世界中应该能找到这种效应。例如，地球的处置是否影响卫星轨道的变化?不过，迄今还没有观测到这类现象。对此，麦里霍恩并不感到奇怪，他说：“在粒子领域中，相对论性效应极为微弱。”
因此，迄今为止，就整个科学界而言，对上述引力一磁场仍不清楚。但麦里霍恩说，这可能是我们进行星际旅行的唯一办法。他说：“使用现有的技术去离我们最近的星球，也得花上100多万年，所以对此技术的探索还是有意义的。”再说，还有一些研究者提出，在超过某个临界速度时，相对论可能给出排斥性的引力，这完全可以用做飞船的推进器。
量子引力理论?
量子力学和相对论，是我们描述世界最成功的两个理论，可是这二者跟我们体验到的日常世界，却奇怪地不一致，同时这二者间也有矛盾。
量子论描述了亚原子粒子的行为，它们的确很神秘。例如，量子客体能同时处在两个位置上，或处于两个不同的运动方向。
在相对论看来，我们的时空是微微弯曲的，在大尺度空间，这样的现象十分明显。但在极端条件下，例如在黑洞中心或宇宙起始时刻，这一方程显得毫无意义。
最大的问题是，没有人能找到如何把相对论和量子理论结合起来，以形成一个量子引力理论的方法。爱因斯坦是第一位科学家，他企图把引力理论跟其他物理理论相结合。但直到今天，我们还是没能比爱因斯坦走得更远一些。现在最为人们所热衷的量子引力理论，似乎还存在一些根本性的问题，并且没有人知道该如何去解决这些问题。
不过科学界并不气馁。加拿大物理学家斯摩林说：“我坚信，以我们的智慧，一定能完全了解我们所在的宇宙。”
按牛津大学的派恩路斯之见，最终的量子引力理论并非就在眼前。他说，现有的理论还不够完整，不足以成为候选者，这是因为它们忽视了一些重要的现象，比如量子世界奇异行为的奥秘。他说：“应该有这样一种大的变革，一种根本上突破现有物理理论的思想。”
也许派恩路斯的看法是正确的。这意味着，科学界还得花上较长时间的努力。
早在20世纪30年代，科学界就已经知道宇宙中有四种基本力，即引力、电磁力、强力和弱力(后两种力在原子核内起作用)。其中，第一个被科学地探索的力是引力，可是迄今它仍然是一个谜!
“苹果成熟后落向地面”这一人们常见的事物，在400年前的牛顿眼中却成为问题。这个问题没有人能为他解答，只能由他自己去找答案。
这位大科学家最终得出结论：苹果之所以下落，是因为地球的引力所致。按他的说法，引力是一种力，作用在别的物体上，将使其改变运动(方向、速度)。牛顿的引力理论，一直被人们有效地应用。可是到了20世纪初叶，爱因斯坦的广义相对论问世，事情却出现了变化。
按相对论，引力并非像牛顿所描述的那么简单。在相对论的框架内，引力具有宇宙学的性质，并非是个别天体(物体)之力。在爱因斯坦的理论中，宇宙结物(即四维时空)中充满了物质(能量)的团块，因此空间被这些物质团块所弯曲是必然的。无论何物，它打算笔直地通过宇宙，但实际上它却是沿着一条曲线在运动。而这条曲线的曲率就是引力。因此，引力并非某一物体直接加在另一物体上的力，而是某一物体(具有质量)加在其周围空间的力。
虽然利用牛顿的引力理论，我们把宇航员送上了月球，十分精确地绘制出行星轨道图。但牛顿没有像爱因斯坦那样，对引力做出根本性的解释。牛顿理论在大尺度空间、高速运动或强引力场中，才能有效应用。尽管有了相对论，我们迄今尚不知道，物质(能量)和时空相结合所造成的现象，究竟具有怎样的本质特性。
物理学家在对其他三种力的研究中发现，它们都是通过放射某种粒子来传递力的。例如，电磁力就是带电粒子借放射光子来传递的。因此人们设想，引力也该如此。
但跟科学家的预期相反，他们陷入了困境。首先，人们做了很多努力，却始终未能找到传递引力的所谓引力子；其次，更糟糕的是，当量子场论(现代物理学中一种十分成功的理论)应用于引力时，总不能找到直接的答案。为何引力只有拉力?
其他三种基本的自然力，都有相反的力，例如电磁力，它既有引力也有斥力，这依赖于电荷的性质。那么，引力为何不如此呢?
这个答案似乎藏在量子场论之中。按这一理论，这些放射出强、弱、电磁力的粒子，都具有不同的“荷”，它们既可以为正，也可以为负，这就导致力的不同符号(即引力或斥力)。但就理论来说，引力子并非如此，因为粒子问题对应为物质(能量)的密度，所以永远是正的。
但一些科学家对此却有怀疑。惠生说：“其实我们并不知道，引力是否确切地仅是一种吸引力。”他认为，暗能量在加速膨胀宇宙空间，因此，有可能引力具有两种表现形式。一些物理学家也猜测，暗能量可能是一种排斥性的引力，但只是在很大尺度的空间中才显现出来。惠生说：“这在基本力中也有先例可循。例如强力，它在某种距离上具有吸引性；而在另一种距离上，则为斥力。”
引力和其他基本力之间的明显差异，现在还无法解释，科学界正在等待一种新的理论——万物论，因为它能对所有基本力做出单一理论框架内的叙述。现在，极大多数科学家都青睐所谓“超对称”的理论。按此理论，所有的粒子都具有孪生的兄弟粒子(唯质量较大)。但有的科学家认为，“超对称”理论并非是最终的答案，“很可能需要一种全新的概念来解决问题”。
引力为何如此微弱?
在四种基本力中，引力是最微弱的，可是这个弱者却支配着宇宙的命运。
你向上跳，只需稍稍用力就行。你那几千克的肌肉却可克服地球(重达6×1021千克)的引力。它的强度只有电磁力的1/1040。
虽然其他三种基本力的大小都不大，但它们大致上跟其作用距离相配，唯独引力不然。这是什么原因呢?
按现在一种新的理论(强磁)的说法，我们的宇宙空间不是三维，而是十维。引力之所以如此微弱，只因部分引力漏入到其他维空间。实际上，我们现在所说的只是其部分的力。
而另外的七维空间，都蜷缩得很小，无法观察到它们的存在，但它们将改变物质间甚小距离上的引力。因此，如果想验证这一理论，目前的方法是测量相距甚小的两物体间的引力。科学界迄今能做到的实验是相隔0.06毫米，不过没有找到什么变化。
科学界还有一个希望，寄托在欧洲核子研究所身上。它的威力甚大的大型强子对撞机，在其高速质子的碰撞中，质子被碰得粉碎从而产生许多粒子，其中有一些是罕有的或从未见过的粒子。这里要回溯到20世纪30年代，当时有些理论家想把电磁力和引力联系起来。德国数学家西奥多·卡鲁扎和瑞典物理学家奥斯卡·克莱因热衷此道，他们认为，当普通粒子进入其他维空间时，会发出“回声”，表明自己是一个更重的粒子。科学界称此为卡鲁扎－克莱因态。因此，若在对撞机的强子对撞中找到卡鲁扎－克莱因态的粒子，就能间接地说明其他维度的存在。不过，目前还是悬案。
为何引力调整的那么好?
要感谢引力的微弱，如果它稍微强一点，我们就不会存在于这个世界之中。在宇宙诞生的一瞬间，它产生了物质(它的更一般形式是能量)和膨胀着的时空。只有在这种时空中，物质才能存在。引力把它们拉拢，而空间膨胀却把物质粒子一步步地分散，使其相互间的吸引越来越弱，最终达到平衡。
在初生宇宙中，如果空间膨胀胜过引力，那么星星、星系和我们人类，永远休想出现；反之，若引力更强，那么所有的物质将很快积聚而塌缩，我们的宇宙早该结束了。
据科学家的计算，必须在宇宙诞生的第1秒内，膨胀便和引力取得平衡，其误差更在保持在1／1015之内，此后的生命才能得以形成。因此引力值G，也被称为大爆炸值G。
在所有的自然常数中，G是被精确调整过的，它的误差小到1／104。这为下一个自然常数(普朗克常数)做好了准备。普朗克常数极为精确，它的误差不超过2.5／106。普朗克常数是微观粒子世界的关键因素，是它促成了粒子的特性。
正是引力的微弱致使G难以测出，这是一个实验上的结果，并非理论有误。使得科学界感到困惑的，倒不是G的难测，而是这个G值到底来自何处?为何此值允许宇宙中出现生命?
一个简单而无法令人满意的回答是：若G值不是这般，我们就不会在这里观察它了。至于更深的答案，没有人知道。剑桥大学的拜罗说：“我们能测出其值，却不知道它从何而来。也许我们永远也不可能解释任何一个自然常数。”
引力是生命的必需品?
植物的确需要。大科学家达尔文说，生根的植物具有引力传感器，它有效地给出了上或下的方向；若把植物横着种下去，它的根须也会向着地心。 植物在空间生长，其根便会迷失方向，致使其无法有效地吸取养分和水，缺乏淀粉产物，是这种有害效应之一；有些在微重力环境中生长的种子，其植物基因的表达都有异于常规的基因。
动物若失去了引力，那将遇到大量问题，虽然目前我们尚不完全清楚整个事态会怎么样发展。加拿大生物学家华塞沙格说：“我们具有动物存活在空间达半个世纪的记录，但我们却没有单个哺乳动物的整个生命周期在空间如何存活的记录。”
在俄罗斯的空间站，密尔发现，鹌鹑蛋在空间比在地面孵出的少；在“发现”号航天飞机上曾做过一次实验，研究鹌鹑胚胎的发育情况，结果16个胚胎没有一个孵出。他们看到，蛋黄浮在蛋白中间(而在地面引力的条件下，蛋黄是挨着蛋壳的)，显然是在微重力的作用下，胚胎和蛋壳间的空气传递出现了问题，这对胚胎是致命的。退一步说，即便胚胎能存活，可以见到白天的亮光，它们也不会为自身做平衡和取向，从而导致觅食困难。
对人类来说，呼吸上也会产生问题。在空间，宇航员的肺容量会减小，这是因为没有重力把横隔膜往下拉；更糟的是，在微重力中，肝处于较高的位置，进一步减小了肺容量。这对短时间的空间旅行来说问题还不算严重，可如果一个婴儿出生、生长于空间，又将怎样呢?
华塞沙格说：“首先他将是肺容量较小的成人，有很多理由使人相信，这将产生严重的问题。例如，他无法将他的肺咳得清洁，而且当他进入性成熟期后，可能招致危险。又如骨骼的问题，我们的骨骼需要体重的张力，而在微重力中，这就成了问题。空间站人员在返回地面后进行的检查表明，人在微重力中，肌肉也会受到严重的损害；而对妇女来说，在微重力的环境下很难自然分娩。”
华塞沙格说，长期留在空间会有什么后果现在还不完全清楚，“因为我们对在微(或无)重力条件下成长和生活，了解得太少了”。
我们能屏蔽引力?
关于建立一个引力屏障的讨论已经有许多年了，不过它一直存在于科幻的同地，实际上还没有人真打算去做。俄罗斯科学家波得克莱诺夫曾尝试了一下。1992年，他发表了一篇文章，宣称在一个旋转着的陶瓷超导体圆盘周围测物体重量时，将减少2％。
2003年，澳大利亚研究中心的坦杰曼，在他的研究报告中说，他在欧洲空间局的资助下，正在从事类似于波得克莱诺夫的引力屏蔽实验。此后，他和欧洲空间局宣称，他们在一个旋转着的超导体附近的确测得一种效应，可以影响到引力。但其他研究者也做了类似的实验，不过未获成功。
从理论上说，相对论并不排除这种可能性：因引力而被弯曲的时空，可以不被弯曲。密苏里大学的物理学家麦里霍恩说：“通过适当地安排，有可能消除(或加强)引力效应。”
他在谈论其实验时说，这涉及一种所谓的引力—磁效应。根据相对论，旋转物体的质量将抓住其周围的时空，使其旋转。正如一个旋转的电荷产生一个磁场那样，旋转着的质量将产生一个引力一磁场。
既然如此，我们在真实世界中应该能找到这种效应。例如，地球的处置是否影响卫星轨道的变化?不过，迄今还没有观测到这类现象。对此，麦里霍恩并不感到奇怪，他说：“在粒子领域中，相对论性效应极为微弱。”
因此，迄今为止，就整个科学界而言，对上述引力一磁场仍不清楚。但麦里霍恩说，这可能是我们进行星际旅行的唯一办法。他说：“使用现有的技术去离我们最近的星球，也得花上100多万年，所以对此技术的探索还是有意义的。”再说，还有一些研究者提出，在超过某个临界速度时，相对论可能给出排斥性的引力，这完全可以用做飞船的推进器。
量子引力理论?
量子力学和相对论，是我们描述世界最成功的两个理论，可是这二者跟我们体验到的日常世界，却奇怪地不一致，同时这二者间也有矛盾。
量子论描述了亚原子粒子的行为，它们的确很神秘。例如，量子客体能同时处在两个位置上，或处于两个不同的运动方向。
在相对论看来，我们的时空是微微弯曲的，在大尺度空间，这样的现象十分明显。但在极端条件下，例如在黑洞中心或宇宙起始时刻，这一方程显得毫无意义。
最大的问题是，没有人能找到如何把相对论和量子理论结合起来，以形成一个量子引力理论的方法。爱因斯坦是第一位科学家，他企图把引力理论跟其他物理理论相结合。但直到今天，我们还是没能比爱因斯坦走得更远一些。现在最为人们所热衷的量子引力理论，似乎还存在一些根本性的问题，并且没有人知道该如何去解决这些问题。
不过科学界并不气馁。加拿大物理学家斯摩林说：“我坚信，以我们的智慧，一定能完全了解我们所在的宇宙。”
按牛津大学的派恩路斯之见，最终的量子引力理论并非就在眼前。他说，现有的理论还不够完整，不足以成为候选者，这是因为它们忽视了一些重要的现象，比如量子世界奇异行为的奥秘。他说：“应该有这样一种大的变革，一种根本上突破现有物理理论的思想。”
也许派恩路斯的看法是正确的。这意味着，科学界还得花上较长时间的努力。