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第15章 引力的麻烦（第1页）

第15章　引力的麻烦

几乎所有

我们的现实生活美丽而复杂，这几乎都要归功于量子场论的三种力：强核力、电磁力、弱核力。

没有强核力，原子中心就没有稳定存在的原子核，质子会迅速飞散，而无法形成物质。胶子和夸克把所有东西连在一起，不然宇宙中就只剩下氢原子了。你体内的碳、氮、氧、磷、硫、钠、氯、钙和铁，事实上包括整个元素周期表中的元素，它们的存在都要归功于量子色动力学。

这些元素结合在一起，就能形成复杂的化学分子，而电子通过光子传递来交换能量，使每一个化学反应得以发生。不仅如此，你所站的地方会对你产生排斥，这是因为你脚上的电子与地球的电子能够相互施加力，而根本原因是电子和光子的相互作用。

当你推拉某物，当你感受到摩擦力和拉力，当你体验到浮力或者任何牛顿力学描述的现象时，你都是在体验光子场的电斥力。由于光的存在，你可以在第一时间看到所有这些现象，这也是光子场的作用。所有的化学、所有的经典物理、所有的光学、所有这些行为都服从量子电动力学。

接下来还有宏伟的生物学。生物学是最复杂的科学，最简单的生物学结构是由数十亿个原子组成的分子链。当DNA链在细胞中复制时，基因编码中的突变会把新的特征传递下去，使物种随着时间趋异和演化。这些突变有时是由复制过程中的转录错误引起的，但这不会被遗传下去。地球上生命的真正礼物是渗透到我们大气层中的放射性粒子，它们扰乱了编码的过程：太阳风和天文现象的残余物使粒子在冰冷的太空中衰变。

如果没有W玻色子或Z玻色子，这种放射性衰变就不会发生，地球上的生命就会只局限于岩池中的几十种细菌。如果没有W玻色子或Z玻色子，太阳中心的夸克就无法把质子转变成中子，核聚变就无法发生，那么太阳也就不会发光。如果没有电弱理论，宏伟壮观的生物多样性与生命的可持续发展前景就会轰然崩塌。

夸克和轻子构成了你的身体，光子、胶子和玻色子告诉它们如何反应，希格斯玻色子赋予你质量，中微子使一切保持平衡，粒子物理的标准模型和根本的量子场论解释了所有这些问题。

我们并非全知，仍然有很多有趣的问题留待解答，但量子场论给我们指出了正确的方向。诚然，我们只是在这个领域迈出了一小步，但我们不再盲目摸索。历史上的每一个事件都是粒子与场相互作用的结果，我们现在有了一个框架来解释它们。但还有一个问题是量子场论无法解决的，那就是引力。

比弱核力还弱

苹果砸在牛顿头上的故事有几分可疑。事实上他是在林肯郡看到苹果从家附近的一棵树上落下来的，这让他感到很奇怪。[1]

下落苹果所受的力，大部分可以用简单的力学来解释。树枝的折断是茎中原子重新排列的结果。当苹果在空气中移动时，它会“撞击”空气中的粒子，使自己的加速度减慢。当苹果撞在地面时，我们可以用更简单的理论来解释为什么它以某种方式着陆、翻滚和分裂。

所有这些现象都是粒子和粒子相互作用的结果，大多数都可以用QED和电子-光子理论来解决。但最开始是什么让苹果落地的呢？这才是真正的问题。

牛顿并没有创造引力。在1687年（1）以前，（人们认为）没有什么东西能飘浮在空中。牛顿意识到引力是物质本身的一种力。苹果并不像亚里士多德认为的那样，出于偏好而落地。它在下落时速度越来越快，这意味着一定有什么东西在主动拉它。

有一个简单的方法可以证明这一点：相比于从几厘米高处落地的苹果，从树上落地的苹果的冲击力更大。很明显，物体下落时间越长，速度越快。如果有什么东西使苹果速度越来越快，那么一定有什么东西给它施加了力。

牛顿的结论是，有质量（后来爱因斯坦进行了修正，把能量加入进来）的物体通过某种无形的介质相互吸引，现在我们把这种介质称为“引力场”。与弱核力、电磁力及强核力一样，引力是自然界的一种基本力。

你的直觉可能是，引力是四种力中最强的，但实际上，它比弱核力还要弱约一万亿倍。但引力仍然是一种不可忽视的力（不用谢），因为它的范围无边无际，作用于任何物体。引力非常贪婪，夸克、轻子、胶子、光子、W玻色子、Z玻色子和希格斯玻色子都被它吸引。

强核力、弱核力与电磁力欢快地从一个粒子跳跃到另一个粒子，它们几乎没有注意到潜伏在阴影之中的引力。引力巧妙而不动声色地把各种事物连在一起，让它们没有懊悔的余地，也无法逃离，哪怕是光，哪怕是时间，都无法摆脱引力。

现在，当你坐着阅读的时候，你手上的这本书正在通过引力吸引你的脸，你的脸也在吸引这本书。你不会注意到这么小的引力，因为需要行星那么大的引力才能产生重要的效果。但你周围的一切事物都在非常缓慢地向其他一切事物坍塌。

你可以小规模地短暂地克服引力—磁铁可以轻易地把回形针从地上吸起来，但当你放眼全局，会发现引力正在把所有事物拉向地表，要克服这种引力需要付出极大的努力。

其他三种力可以通过引入在物质间移动的虚粒子来解释，因此我们也可以引入一个类似的粒子来解释引力：引力子。

然而，我们很难发现引力子，因为引力非常弱。要产生足够的能量来扰动这个场，我们需要一个星系规模的粒子对撞机。就算我们这样做了，碰撞产生的庞大能量将在撞击点形成一个黑洞，黑洞会吸入所有引力子，我们永远也看不见它们。除非我们能找到另一种探测粒子和场的方法，否则引力子将永远隐藏。

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