鸽译文
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引力为何如此之弱?其答案可能关乎时空的本质

即便引力的强度再增大十亿倍,它仍然是最弱的力——不到其它力的万万亿分之一。引力如此之微弱,着实让人感到惊奇,也让人不禁想要一个答案。

导读:本文译自 space.com 文章《Why is gravity so weak? The answer may lie in the very nature of space-time》。作者:Paul Sutter,发布于 2022 年 7 月 29 日。

相较于其它四种基本力,引力为何如此微弱?

即便引力的强度再增大十亿倍,它仍然是最弱的力——不到其它力的万万亿分之一。引力如此之微弱,着实让人感到惊奇,也让人不禁想要一个答案。

奇怪的是,引力微弱的原因可能并不在于引力本身,而在于希格斯玻色子的工作机制和时空的本质。

层级问题

举起一张纸。恭喜,你成功地对抗了整个地球的组合引力。

这几乎完全不费力,因为引力是自然界四种基本力中最弱的一个(至少到目前为止是这样)。从度量上讲,引力比四种力中最强的力(强核力)弱万亿亿倍。

还有另一种感受引力之弱的角度。可能存在的黑洞有一个最小的极限,即普朗克质量。其计算方式是约化普朗克常数乘以光速再除以万有引力常数(G),之后对其取平方根。该质量大约为 10⁻⁸ 千克。假如引力很强,即如果 G 更大一些,那么你就可能制造出更小更轻的黑洞。

相较而言,W 和 Z 玻色子(弱核力的传递载体)大约比普朗克质量轻万万亿倍。因此,仅比引力强的弱核力也要比引力强千万亿倍。

在大多数物理学家看来,这种「层级问题」看起来很是古怪。当然,宇宙本身可能就很古怪,并不需要解释。但这并不是非常让人满意的说辞。这反而似乎表明我们还能更深入地探究基本力的物理学,看其中是否还有仍待发掘的新东西。

希格斯玻色子是怎么回事?

让我们暂且忽略电磁力和强核力,仅将引力与其最「相近」的对手相比,即弱核力。也许,要是我们可以解答弱核力如此强于引力的原因,我们就能理解这个整体图景。

我们完全不知道为什么引力的大小是这样的。似乎没有任何物理学理论试图解释这一点。但有些东西似乎能够解释弱核力的性质,也即希格斯玻色子。

希格斯玻色子是容纳全部时空的场,并会迫使许多其它粒子(比如电子)与之交互。这种交互过程会让电子获得质量。与希格斯玻色子的交互越多,质量就越大。

W 和 Z 玻色子也能与希格斯玻色子交互,并也能通过这个交互过程获得质量。正是 W 和 Z 玻色子的质量确定了弱核力的性质,因为发挥作用的就是这些粒子本身。

那么又是什么确定了与希格斯玻色子交互的粒子的质量呢?无他,就是希格斯玻色子本身的质量。如果其质量不同,那么包括 W 和 Z 玻色子在内的所有其它粒子的质量也会变化。

该图展示了欧洲核子研究中心(CERN)的紧凑μ子线圈(CMS)探测器在 2012 年的一次测试,其中一个希格斯玻色子衰变成了一对光子(黄色虚线和绿色柱体)。(图源:CERN)

现在,是时候指出这一点了:希格斯玻色子的质量很古怪。它很大——大约 250 GeV,就像许多粒子一样大——但还算不上巨大。它的尺寸也不小。事实上,对于希格斯玻色子的工作方式,一种朴素的量子力学理解预测认为其持续参与的交互作用(非常多)要么会彼此抵消掉从而使其质量为零,要么就是彼此加强从而使其质量趋于无限大。

有什么东西导致希格斯玻色子正好处在一个微妙的范围内——正好能保证宇宙中一切的井然秩序。但希格斯玻色子将 W 和 Z 玻色子限制在了非常微小的值,从而使弱核力比引力强许多。

换句话说,之所以说引力在宇宙中最弱的力,并不是因为引力有什么问题,而是因为弱核力在「作弊」。

对时空的一点新想法

对于希格斯玻色子质量的非自然状态,目前并没有广为人接受的解答,也就因此我们的层级问题没有解答,更别说引力之弱的怪异性的原因了。

但所有这些讨论都假定我们正确地计算了一切——希格斯玻色子的质量、普朗克质量……也许,我们的计算中缺失了一些有关这个宇宙的基本要素。

在许多潜在的解答中,某种想法会让人质疑我们目前对时空本质结构的理解。弦理论已经为这样的想法做了铺垫。为了正确得到该理论的数学描述,我们需要新的紧密的空间维度。

对弦理论的概念化描绘。(图源:Getty Images)

但在弦理论中,这些额外的维度都非常极其地小,蜷缩成小于普朗克长度的非常紧密的微小形状。

尽管如此,其中某些额外维度也可能会更大一些。这些维度通常被称为「Large extra dimensions(大额外维度)」,但说这些维度大,并不是日常意义上的大——其实也只有毫米级。

在这些理论中,自然的其它三种力都仅限于我们普通的三维宇宙——有时候也被称为「膜(brane)」。但是,引力却能触及所有维度,称为「块(bulk)」。这样的话,引力的强度就与其它力一样了——甚至更强,但是它却比其它力弥散在了更多的维度之中。因此,在三维实验中,引力似乎就弱了很多。

我们已经在相当高的精度上测试过引力,但还没有在那样小的尺度上进行过。如果我们的宇宙有额外的「大」空间维度,那么我们可能会在小于一毫米的尺度上观测到一些奇怪的现象。

举个例子,我们可能会在小距离上观测到更强的引力,因为它没法「溢出」那些额外维度。又或者我们可能会在粒子对撞机中造出微型黑洞,因为在这些微型尺度上,造黑洞可能比我们想象的更容易。

到目前为止,没有任何实验找到了额外维度的证据。而引力依然非常之弱。

CC BY-NC-ND 2.0

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