引力可能是有质量的

    与电磁力等其他基本作用力相比，引力最显著的一点是，它是普适的。它的普适性首先表现在，任何有质量的物体之间都有引力作用，引力是有质量的物体的本质属性。

    广义相对论把空间和时间描绘成一个统一体，称之为时空。引力的本质是时空弯曲。换句话说，在广义相对论中，“引力”并不存在，太阳和地球之所以相互吸引，是因为太阳将其周围的时空弯曲了，而后地球不得不沿着弯曲了的时空运动，就像轨道已经铺设好了，火车只能沿着轨道运动一样。太阳为什么能将时空弯曲呢？因为太阳有质量，有质量的物体都能将时空弯曲。

    这一惊人的理论是20世纪物理学两次革命中的第一次。第二次是量子理论。量子理论涉及自然界的微观领域。量子理论向我们展示了这个世界与我们的日常世界迥然不同。在微观世界，很多事情我们不能给出一个确切的结果，只能给出一个概率。譬如，微观粒子在同一时刻既可以在这里，又可以在那里。问它确切地在什么地方已经没有什么意义。我们只能说，它在A位置的概率是多少，在B位置的概率是多少，如此等等。这些想法虽然奇怪，但经过半个多世纪的检验，我们知道量子理论是正确的。

    量子理论将每一种基本作用力解释成量子场和传递量子场的一个或多个玻色子（玻色子是一类自旋为整数的粒子，自旋为半整数的粒子称为费米子）。譬如说，电磁力对应电磁场和光子。当光子在两个带电粒子之间抛来抛去时，就产生了电磁力。

    量子理论还说，每一种基本作用力的范围与传递该力的玻色子的质量成反比。譬如，传递核力的玻色子质量大，所以核力的作用范围限制在原子核内；传递电磁力的光子质量为零，所以电磁力的作用范围无限大。这就是我们为什么能看到宇宙另一头的星星的原因。如果光子有质量，它就不会传播得这么远。

    虽然目前我们还没有一个满意的量子引力理论，但我们确信，引力最终也必须通过量子场来描述。这意味着它有一个传播相互作用的玻色子。我们称这个粒子为“引力子”。

    我们不知道引力子是否存在，但有证据强烈地暗示，引力子是存在的。譬如，2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到了引力波。这表明，引力场可以像电磁场一样有波动。尽管到目前为止，引力波还没有显示出任何粒子行为的迹象，但根据量子理论所描述的波粒二象性，有引力波就有引力子。当初，光的粒子性也是在我们知道了光是一种波动之后很久才发现的。

    最近英国物理学家克劳迪娅·拉姆和她的同事提出一个新的引力理论，该理论在广义相对论的基础上引入额外的空间维度，结果他们做到了在让引力子有质量的同时，又避免出现幽灵般的负能量粒子。

    如果他们的理论是正确的，引力子确有质量，那这个结果将影响深远。从宇宙早期的演化，到行星运动和宇宙未来的命运，都要受其影响。甚至月球的轨道也会受到影响：月球每个月要离地球近大约1纳米。

    更深刻的是对引力波速度的影响。我们知道，各种波长的光在真空中都以光速传播。可是，一旦进入介质，譬如水中，首先是光的传播速度慢了下来；其次是不同波长的光，速度也变得不一样。我们可以这样来理解：光的速度之所以慢下来了，是因为此时光子具有了静止质量；不同波长的光传播速度之所以变得不一样，是因为不同波长的光子具有不同的静止质量。

    反映光的这一现象的最好例子是彩虹：原先混在一起的不同波长的太阳光，经过小水滴，由于速度的降幅不一样，结果就分开来，让我们看到各种颜色的光带。

    类似于光的情况，如果引力子有质量，也将发生“引力彩虹”现象。譬如两个黑洞碰撞，在时空中产生了不同波长的引力波。它们开始是混在一起的，但因为传播速度不一样，随后就渐渐分开来了。这种现象，目前的引力波探测器是没能力探测到的，未来的探测器也许能。

    （大科技微信公众号 2022.1.2）