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質(zhì)量與引力,誰讓空間彎曲了?相對論認為是質(zhì)量,弦論認為是引力

 星辰大海種花家 2019-09-07

這是大多數(shù)朋友的理解,但其實引力和空間彎曲都是一個現(xiàn)象的兩種不同說法,愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,時空是一個不可分割的整體,所以我們在解釋“引力”與空間之間的關(guān)系時必須要和時空一起說明,否則這個觀點就是不完整的。

一、對于時空的理解

古希臘哲學(xué)家亞里士多德認為,自然界不存在所謂的“絕對真空”,他認為空間總是伴隨著物質(zhì)以及運動的存在!這是人類對于空間最早的理解,盡管沒有確切證據(jù)支持,但這個理解是超前的!

到了17世紀,艾薩克·牛頓建立三大運動定律,并且在哥白尼的日心說以及開普勒行星三大定律等的基礎(chǔ)上,總結(jié)出了萬有引力定律,開創(chuàng)了經(jīng)典力學(xué)理論,開啟了“絕對時間”和“絕對空間”的概念,也就是各位所熟悉的“絕對時空觀”,牛頓經(jīng)典力學(xué)認為,空間只是一個容器是獨立存在的,而時間在宇宙的每個角落都一樣,非常符合大眾對于空間和時間的理解。

牛頓力學(xué)對于低速運動的描述以及現(xiàn)代科學(xué)體系的建立無疑充當了領(lǐng)路人的角色,因此牛頓的絕對時空觀統(tǒng)治了科學(xué)界超過200年。但我們現(xiàn)在知道這個絕對時空觀是不正確的,因為無論是支持絕對時空觀的“以太”假設(shè),還是水星進動等,都給絕對時空觀當頭一棒!1905年發(fā)表的狹義相對論認為時間與空間跟物體運行的速度有關(guān)。

而在1916年愛因斯坦發(fā)表的廣義相對論出現(xiàn)將物理學(xué)家們從水深火熱中解救了出來,廣義相對論認為,引力是質(zhì)量在時空中的表現(xiàn),它在彎曲空間的同時也改變了時間。在質(zhì)量體周圍的時空存在的是空間與時間的梯度。

在質(zhì)量周圍的不同位置,空間的彎曲程度和時間的改變程度是不一樣的,這個關(guān)系可以用如下公式來表示。

G為萬有引力常數(shù),M為質(zhì)心的質(zhì)量,r為距離質(zhì)心的距離,c為光速。當然公式記憶起來非??菰餆o味,其實我們根本無需這樣去死記硬背,只要記住美國物理學(xué)家惠勒對廣義相對論的經(jīng)典總結(jié)即可“質(zhì)量告訴時空如何彎曲,而時空彎曲告訴質(zhì)量如何運動!

二、質(zhì)量來自何方?

廣義相對論解釋了質(zhì)量為什么能彎曲時空,也就是各位形容的引力彎曲時空,但卻沒有解決一個本質(zhì)問題,質(zhì)量是從哪里來的?可能很多朋友會馬上向大一個等式,就是質(zhì)能方程:

質(zhì)能等價,聽上去似乎是這樣,那么是能量扭曲空間嗎?似乎更掉進了一個死胡同,我們還是得回到事物的本質(zhì)上來!看起來愛因斯坦的相對論已經(jīng)有所局限,也許我們要從量子力學(xué)中去尋找答案。

量子力學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在,我們已經(jīng)站在了揭示物質(zhì)本質(zhì)的前夜,我們知道了組成物質(zhì)的費米子,比如各種夸克和電子以及中微子等都是費米子,和將這些費米子粘合起來的玻色子,比如光子(傳遞電磁力),膠子(傳遞強作用力)和弱力(W玻色子和Z玻色子)

傳遞引力的引力子到現(xiàn)在為止我們沒有找到,但廣義相對論中已經(jīng)定義了傳遞引力的方式,我們不妨?xí)呵揖托帕藦V義相對論。似乎物質(zhì)世界已經(jīng)齊備了嗎?完全不是,因為還有一個曾經(jīng)預(yù)言中亞原子粒質(zhì)量生成機制的粒子,后來在2012年7月4日歐洲強子對撞機中找到了傳說中的希格斯玻色子。

上世紀六十年代,物理學(xué)家提出一種利用自發(fā)對稱性破解來賦予基本粒子質(zhì)量,但同時又不會與規(guī)范場論沖突。物理力學(xué)家們假設(shè)宇宙中遍布希格斯場,這種粒子可以與基本粒子相互作用,利用自發(fā)對稱性破缺使基本粒子獲得質(zhì)量。

希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā),根據(jù)機制基本粒子與希格斯場耦合獲得質(zhì)量。從希格斯場理論誕生到2012年歐洲強子對撞機找到希格斯玻色子,整整過去了將近半個世紀,希格斯玻色子質(zhì)量為:126.5GeV(5個標準差),具有零自旋與偶宇稱,與預(yù)言中的基本特性一致,但仍然存在部分與理論預(yù)測不相符的結(jié)果。

建設(shè)中的CEPC

正在建設(shè)中的CEPC(高能環(huán)形電子對撞機)可以將LHC的發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子測量精度提高10倍,達到1%左右,也許能解開標準模型中給基本粒子帶來質(zhì)量的希格斯玻色子更多的秘密。

三、傳遞引力的是什么介質(zhì)?

廣義相對論認為引力是質(zhì)量在時空中的表現(xiàn),在彎曲時空中運行就是引力的直觀體現(xiàn),量子力學(xué)認為是引力子在傳遞兩者之間的關(guān)系,而且也找到了希格斯玻色子這個賦予基本粒子質(zhì)量的粒子,但對于引力子也無能為力!

弦理論卻對引力有一番解釋

弦理論認為基本粒子都是由弦的振動形成,弦的不同振動狀態(tài)對應(yīng)著不同的基本粒子。弦的狀態(tài)有兩種,一種如扁面條一樣的開弦,另一種則是猶如彈簧一樣的閉弦,弦理論認為,傳遞電磁力的光子是由開弦的橫向振動形成,而引力的傳遞方式有兩種:

在“開弦”之間,通過交換“閉弦”傳遞引力

在“閉弦”之間,通過交換“閉弦”傳遞引力

弦理論試圖將物質(zhì)以及空間與時間統(tǒng)一起來,而且弦理論對于空間維度的描述是令人震驚的,但到現(xiàn)在為止我們?nèi)匀粺o法證實這些猜測,但時間也許會我們答案。

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