量子力学|引力子:粒子物理学的最后一块拼图,可能引发物理学革命


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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 , 像地球和水这样的中物体被吸引到中心 , 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) 。


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