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第15章 引力的麻烦（第2页）

引力在许多方面与其他三种力不同。引力与这三种力之间有一点不对称（就像电磁力与弱核力彼此有一点不对称），而且它是物理学中无可争议的卡西莫多（2）。下面是我们谈到引力时遇到的麻烦。

1。引力比其他三种力更弱，相差的量非常惊人。其他三种力的强度相当于在一根绳子上插大头针，我们可以把它们都放在1厘米之内，因为它们的力量是相当的。而引力的大头针应该放在仙女座星系的某个地方。（3）

2。利用量子场论，我们可以预测真空中包含多少能量（把所有虚粒子加在一起）。真空中的总能量大约相当于10105焦耳每立方厘米，然而我们通过观测星系中引力的作用，实际测量到的能量是10-15焦耳每立方厘米。量子场论的预测值与引力场的测量值相差几亿万万倍。我们已经知道，量子场论“自诩”是所有科学中最精确的预测，可一旦把引力纳入其中，它就成了科学中最糟糕的预测。

3。费米子（夸克、电子和中微子等物质粒子）的特征之一是占据空间。这种特性叫“泡利不相容原理”，它是一种粒子属性，即粒子的能量和位置是独有的。费米子竭尽所能地保持分离，但当黑洞中有足够的引力时，粒子就会被强行压在一起。在量子场论中，泡利不相容原理是不可违背的，而引力理论很轻易地打破了这一点。

4。爱因斯坦的广义相对论描述了引力的原理，它涉及能量、质量、时间、光和空间。官方记录表明，爱因斯坦在1916年提出这一理论，但很少有人知道，他在1912年就提出了这个方程，只是悄悄地舍弃了它，[2]原因也许是他觉得这是错的。

广义相对论描述了物体周围时空弯曲而产生的畸变，我们视之为“引力”。这个理论与实验完美贴合。广义相对论基于一个关键的假设：空间中每一点都是平滑的，并且有一个明确的值。然而，在量子力学中，海森堡不确定性原理认为这是不可能的。所有场和粒子都在振动，这意味着任何东西都不可能是光滑的。引力子必须遵循海森堡不确定性原理，但引力本身显然不遵循。

5。其他三种力的场坐落在真空的背景之下，粒子可以被挤出，但场的形状遵从可感知的几何形状。然而在广义相对论中，空间可以弯曲。

那些已经习惯了沿直线运动的粒子，突然发现自己周围的空间改变了形状后会有何反应，我们无法解释这将如何影响它们。我们可以用引力解释一大堆粒子的情况，但很难计算单个粒子的引力。

引力不只是家庭聚会里那个不合群的孩子，它还是个从背后踢人、朝电视撒尿的恶霸。在不考虑引力的时候，量子场论运行良好，但就在我们考虑引力的时候，一切轰然崩塌。这可能是有史以来最糟心的事情。

知识之树

地表附近的每一个物体都被引力拉向地球。牛顿意识到同样的力也作用于宇宙中的太阳、月亮和所有行星，因为引力是一种普遍规律（万有引力），一视同仁地作用于万物。多亏了牛顿，我们才能用一个简单的解释把两个明显不同的现实领域联系在一起。

几个世纪后，爱因斯坦发现能量是同一框架的一部分，并将这些纳入相对论。这再一次证明，物理学的两个分支通过原本隐藏的关系联系在一起。

同时，迈克尔·法拉第发现，被认为各自独立的电场和磁场是同一个场的不同方面，这给了我们一个包含电、磁、光的统一解释。

接下来，量子物理学家接受了电磁理论，把它与粒子物理联系起来，催生了量子电动力学。然后，他们又把量子电动力学与放射性、弱核力结合起来，得出了电弱理论。

同样的事情一遍又一遍发生。我们从知识之途的不同地方出发，这些起点似乎毫无关联，但我们在这些路径上得到了合乎逻辑的结论，发现了这些不相关的理论之间的联系，就像树上的细枝连在一起，形成大树枝。我们越研究宇宙，发现这些联系就越多。

目前，我们的知识之树是一个理论网络，它有三根主要的大树枝。第一个是广义相对论，可以解释天文学、宇宙学和引力；第二个是电弱理论，可以解释质量、光、放射性、经典力和化学；第三个是量子色动力学，可以解释原子核。我们很快就要把后两者结合起来了。

我们正在寻找巧妙的方法，把电弱理论和量子色动力学结合起来，得到“大统一理论”，或者叫GUT。它可以解释整个标准模型。

如果我们能成功设计出GUT，就可以用两根大树枝解释物理学中的一切：广义相对论解释引力，完整的量子场论解释引力之外的全部。我们最终能拼成一个完整的树干吗？有没有一个单独的万有理论可以解释引力和量子力之间的矛盾？我们不知道，但我们肯定会尝试。

起点

一个世纪以前，我们认为自己找到了答案。量子力学教我们保持谦逊。与其说科学正在走向尽头，不如说一切才刚刚开始，这是个令人兴奋的理由。我们面临艰巨的任务，但我们在如此短的时间内就取得了巨大的进展，我因此怀有强烈的希望。

人类不仅生来就有求知欲，还有能获取知识的大脑。我们不喜欢听到“没有人知道”，我们决心要找出人类在宏伟蓝图中的位置。这就是为什么我们从不放弃回答问题和质疑答案。宇宙的复杂可能超出我们的想象，但既然我们能理解量子力学，谁知道我们还能做什么呢？

为此，也为了其他原因，我真诚地相信，科学将拯救人类。

（1）　这一年，牛顿的《自然哲学的数学原理》出版。—译注

（2）　引力很特殊，在物理学家眼里很突兀、不美观，犹如卡西莫多。—译注

（3）　比如说电磁力的大小是1N，强核力的大小是1。01N，弱核力的大小是0。99N，而引力的大小是0。0000000001N。若在一条线上，前三个力相隔非常近，而引力与其他三个力相隔非常非常远。——译注