我们还没有了解引力

陈文广

超弦理论

引力是什么？牛顿认为它是两个有质量的物体之间的吸引，爱因斯坦的广义相对论认为它是一种时空弯曲，量子力学则认为它是由一种被称为引力子的粒子在不同物质之间的交换产生的。广义相对论是对的，量子力学也是对的，这两套理论在引力问题上的矛盾在告诉我们，引力是什么，我们确实还没有真正弄清楚。

也许引力根本不是我们想的那样子，有人认为引力可能是某种“弦”产生，有人认为它是由某种“场”产生，这两种看法分别来自于超弦理论和圈量子引力理论。更有趣的是，有人甚至认为引力根本就不存在，它不是一种力，而是一种熵增现象，这是怎么一回事呢？

引力是超弦的一种振动模式？

苹果可以平分成两份，两份又可以分成四份，四份又可以分成八份，貌似可以无限分下去，直到不能再分为止。那么，什么是组成物质最小的单位（即基本粒子）呢？1789年，法国科学家拉瓦锡定义了原子一词，认为原子是化学变化中的最小的单位。19世纪初期以后人类发现了比原子还小的中子和质子，20世纪发现了比质子和中子更小的其他强子，20世纪中期发现了强子的组成单位——夸克。夸克还可以再分吗？

“弦”相互作用

已经没有人能把夸克分开了，但很快有科学家提出：也许，在基本粒子的内部，还存在着更细微的某种未知的东西在决定着这个世界的现象和规律，这个更细微的东西也许能解开广义相对论和量子力学的矛盾之结。超弦理论就是在这种思想下提出来的，该理论认为，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克等等这样的基本粒子，这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的“弦”——在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，就像小提琴琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。

空间依附场线而存在

拨动吉他一根弦，你会听到一个音。拨动另一根弦，你会听到另一个不同的音调，因为不同的弦振动的模式不同。一个音乐家通过一个吉他的六弦合奏，使这些弦在不同频率振动，便可创造出无数美妙的音乐。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样，粒子内部的弦也有不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动模式来决定，各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已——电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，如此等等。弦振动地越剧烈，粒子的能量（质量）就越大;振动地越轻柔，粒子的能量（质量）就越小。

弦本身很简单，只是一根极微小的线，弦可以闭合成圈（闭弦），也可以打开，看起来像头发一样（开弦）。弦可以分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如，一根开弦可以分裂成两根小的开弦，也可以分裂成一根开弦和一根闭弦;一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦;两根弦碰撞可以产生两个新的弦。所以，自然界中所发生的一切相互作用，都可以用弦的分裂和结合来解释。

在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性。现在我们可以理解，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。物理学家还发现，弦的振动模式与粒子之间的四种相互作用力存在着直接的联系——一根弦所产生的引力、电磁力、弱力和强力完全由它的振动模式决定。

弦的运动非常复杂，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须有高达十维的空间才能满足它的运动，这是由弦的性质决定的。就像人的运动无法在二维平面中完成，只能在三维空间中完成一样。所以超弦理论认为，这个世界的空间其实是有十个纬度的，除了我们生活的三维空间，还有七个我们不知道的空间维度（多出来的维度称为额外维）。

不同维度下的物体的样子

而宇宙开始于一个点，这个点隐藏了宇宙开始时刻的十维空间秘密。后来，这个点发生爆炸，意味着十维空间发生了崩裂。广义相对论和量子力学只是不同纬度的物理规律的表现，从这个角度看，广义相对论和量子力学是不矛盾的，它们不是完全处于同一个平台上进行的比较。我们在生活的三维空间中看它们，如同管中窥豹一样看不全面，觉得它们矛盾也是可以理解的。

圈量子引力理论

不过，额外维度是很难被人接受的，从感性上说，我们生活在一个已经熟悉的三位空间的世界里面，从理性上说，至今没有探测到任何其他的空间维度，它只存在于理论中。相比于超弦理论，有一種叫做圈量子引力的理论似乎更加“实在”，这种理论仅仅基于我们生活的四维时空（三维空间，一维时间），不增加任何额外维度。圈量子理论还是从困扰当今物理学界的引力量子化（广义相对论中，引力是连续的，引力量子化就是试图将引力描述成一份一份的引力子）的角度出发，来实现大一统。

圈量子引力理论

那么什么是圈量子引力理论呢？圈量子理论的“圈”，其实是来自场的性质：物质产生场，例如电荷产生电场，磁性物质产生磁场。场线由物质出发，也结束于物质。如果空间没有物质的话，场线是会自我闭合的，自我闭合的场线看起来就像一个圈。以电场为例，电场线从正电荷指向负电荷。观察电场线的分布我们会发现，它们往往呈对称分布。如果把正负电荷拿开，两条对称的电场线就会闭合成一个圈。

圈量子理论主张将场和物质都用场线来描述。如何做到这一点呢？场线本身就是为了描述场的性质而引入的，只需将物质定义为场线的节点（交点）就好了，例如电场线的交点代表了正负电荷。物质代表了空间，空间变成了点。也就是说，在圈量子理论中，空间不再是客观实体，它只能依附场线而存在。场线，能主宰一切空间和物理作用。失去了空间的基础，原先的量子力学和广义相对论都要在圈量子引力理论的框架内改写，这可以导致量子力学和广义相对论的矛盾消失——例如量子力学的空间不确定性和广义相对论的空间确定性的冲突不复存在。在圈量子引力的理论中，量子力学和广义相对论达到新的统一。

目前，超弦理论和圈量子引力理论还只是处于假想阶段，无法进行任何验证，而且这两种理论也在不断的发展和更新中。我们期待，它们会取得更大的突破。

引力真的是一种基本力吗？

荷兰物理学家埃里克·弗林德认为，引力不是一种基本作用力，它其实根本不存在。引力只是一种熵变现象，或者可以将引力称为一种“熵力”。理解熵力之前，我们先了解熵是什么：熵是热力学中描述体系混乱程度的参量。熵越大，表示体系的混乱程度越大。而且根据热力学第二定律：在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。这意味着，如果不施加外界约束，体系变得混乱是自然而然的事情，熵增大是一种自发的过程。

那么什么是混乱呢？其实，混乱是相对于有序来说的，有序意味着分子排列有一定的規则。例如一块糖，它的分子是排列整齐的、有序的，但是如果把它放到水里，它会融到水中，变得无序和混乱。又例如，在房间里，我们喷下几滴香水，香水分子很快开始互相远离并向四周散去，导致香水味很快便充满房间。以上过程都是熵增的现象，且都没有发生力的作用，但是为了便于理解，我们假设存在一个“熵力”施加于粒子之间，促使这些粒子便混乱，使得熵增现象发生。

那么，引力为什么说是一种熵力呢？熵增是粒子秩序变得更加混乱的过程，可以理解为粒子的重新分布。而宏观物体就是由粒子所组成，物体的分布的改变也就意味着熵的改变。弗林德认为，两个物体内部，以及这两个物体周围的环境中粒子的集中程度是不一样的。一个物体被另一个物体吸引，并且试图向另一个物体靠近，是一种自发的行为。因为它使粒子重新分布，体系变得更混乱，是一种熵增行为。这个过程中没有力的作用，为了方便描述，我们可以说物体是受到了“熵力”的作用。

熵增：由有序变得混乱

从17世纪中期牛顿发现万有引力以来，人类认识引力的历史已经跨越了四个世纪。从最初牛顿的万有引力定律到现在先进的超弦理论、圈量子引力理论和“熵力”理论等等，人类的有关理论是越来越多了。但很遗憾，科学家对引力究竟是什么仍然没有达成一致，我们仍然还没搞清楚引力是什么东西。事实是，我们真的还不了解引力！