最弱和最强引力的“今生今世”

科学界人士在2015年举办了一系列纪念广义相对论诞生100周年的活动，一百年前的1915年，爱因斯坦发表了足以改变人们对宇宙基本理解的一组方程，“爱因斯坦方程组”替代了几个世纪以来一直流传的牛顿力学。引力在牛顿的引力理论中表现为大质量物体的相互作用力，引力在爱因斯坦的引力理论中不再是人们对物体相互作用的直观感受，而是大质量物体弯曲周围时空的特性。

直到爱因斯坦的出现，牛顿的引力概念才发生了变化。广义相对论告诉人们，引力不是牛顿力学设想得简单明了。广义相对论建构了一个理论框架，无论物体怎样运动，物理学定律对每一时刻、每一个人都同样适用。爱因斯坦认为引力是宇宙的特性，它不取决于单个物体的相互作用。广义相对论将万有引力描述为类似几何学的特征，宇宙结构由四维时空。

在广义相对论发表之后的一百年，引力的奇异性依然挑战了人们的科学思维，爱因斯坦曾经预言，在“大变动”的宇宙诞生事件中产生了穿越宇宙时空的引力波，迄今为止，科学家没有发现引力波的任何蛛丝马迹，引力波的谜底有待揭晓，但人们对引力波的观测和猜想从未停止，引力波理论已是现代物理学“皇冠上的明珠”。2015年，两个主要的科学探测项目继续探索引力波的奥秘，第一个科学项目是 LIGO，它将会恢复引力波的观测实验，第二个科学项目是LISA，太空飞船的未来使命将是在太空捕获引力波信号。

最大的科学难题是广义相对论和量子力学的不协调、不融合。不能期待科学家现在就给出最大难题的答案。引力在原子尺度的世界表现得十分微弱，人们时常忽略了引力在原子世界的存在，“省略法则”有出现错误的可能。很难想象相对论会遭遇量子物理学的困局，引力在量子世界中可能起到了关键作用，引力在自然运行中发挥了主要作用，但人们对引力的微观认识十分有限。广义相对论悬而未决的谜题已在破解的路上，最终的解决方案只是时间问题。

引力就在人们的身边，看不到它们，人们却能感受它们的存在，但这不等于人们发现了引力的性质，可以脚踏实地走在大路上。太阳引力将地球锁定在它的周围，地球不会飞向极寒的遥远太空。引力是人类生命的“压仓石”，但人们从未对引力的牵引作用表示感谢。走进引力世界，一切确定性的描述似乎消失了。在自然的四种基本力中，人们对引力的了解最少。引力是什么？它是物理世界最神秘的现象之一，从原地跳起，人们不会飞向天空，引力将他们拉回地面。人们在登上山顶后开始下山，引力作用加速了人们下山的速度，引力作用影响和改变了物体的运动。

其它三种自然基本力有它们的反力，比如：电磁力有吸引和排斥的两种作用，作用力的大小取决于电荷的性质。什么因素导致了引力的不同？引力的单向作用成了一大谜团，量子场论为问题的解决提供了线索，传递强力、弱力和电磁力的粒子有不同的电荷类型，诸如：电荷或正或负，直接导致了力的方向不同，相互作用的类型或吸引或排斥。引力的作用却是单向的。从量子场论推出了一种粒子或引力子，假设引力子粒子传递了引力作用，引力子与能量密度有关，那么引力总是采取正的符号。人们只是不知道引力为何采用了严格的吸引力方式，目前的科学家不能解释引力为何采取了吸引效应。

引力的一种神秘性是它表现得极其微弱。人们用力跳到地面以上的空气，跳离地面上几厘米的高度，人们用上了跳动的力气。人体少量的肌肉有几公斤的重量，肌肉力量克服了地球对人们身体的引力，肌肉力量“抬起”的物体比身体重得多，十分微弱的引力比电磁力小了1040倍，而电磁力将原子束缚成分子结构。自然基本力的作用范围或力程不同，它们在不同类型的粒子之间有不同的作用形式，三种基本力的强度匹配，引力却例外，微弱的引力最终改变了世界，引力在天体世界中是主要的束缚力。目前，最好的统一理论首推弦理论，它是万物理论的主要候选者，弦理论的多维时空超越了四维时空的限制。

（编译：2015-1-5）