国外科学家尝试破解牛顿当年没有提出的问题——

　　□何积惠 编译

　　大家都听说过牛顿和苹果的故事。1666年的秋季，牛顿看见一个苹果坠落到地面上，不禁思绪万千，促使他提出一连串的问题：“那个苹果为什么总是垂直下坠？为什么不会向旁边飘落或者朝上升腾，而是始终对着地球的中心呢？”

　　牛顿当时没有提出来的一个问题是：苹果或橘子是否是以不同方式坠落的？或者说，在春季的时候，苹果是否落下的速度更快？这些问题也许只会引起少数人的关注，但美国印第安纳大学的物理学家艾伦·科斯特莱茨基却认为它们是重要的。他和他的研究生杰伊·塔松发现：诸如此类公然违背我们最佳引力理论的现象，可能已轻易地回避了长达数世纪的探究。

　　挑战物理学经典假设

　　从目前来看，相对论和标准模型都是不够完善的。科学家为此假设：宇宙中充满着迄今未知的力场，这些力场会将“优先选取”的方向强加给空间，从而使洛伦兹对称遭到破坏。结果，便形成了一种被科斯特莱茨基称为标准模型扩展(SME)的理论。

　　美国印第安纳大学的物理学家艾伦·科斯特莱茨基和他的研究生杰伊·塔松最近在《物理评论快报》上发表了一篇论文。“我们已经有了一项令人震惊和欣慰的发现。”科斯特莱茨基说，“我们差一点可以瞥见支撑我们宇宙的终极理论。探究这些看似未必会发生的可能性，有助于我们理解是什么在维系着宇宙的运行。”

　　这是科斯特莱茨基潜心研究20年的成果。1989年，他开始思索我们对宇宙运行的最佳理解究竟出了什么“故障”；这种理解是由两种伟大理论所提供的。第一种便是广义相对论，也就是爱因斯坦阐释引力如何运行的理论。另一种则是粒子物理学的标准模型，亦即从量子角度来描述我们周围的物质和引力以外的所有力。

　　从目前来看，相对论和标准模型都是不够完善的。遇到引力异常强大的场合，例如在描述宇宙大爆炸或黑洞中心的时候，广义相对论就会失灵。而标准模型为了解释宇宙基本粒子的质量，又不得不极尽牵强附会之能事。此外，这两种理论还是互不兼容的，对于时间等概念持有截然不同的看法。这就使两者根本不可能融合为单一的“万物至理”。

　　问题在于：相对论和标准模型尽管各有各的缺陷，却都是非常出色的理论。若分开来看，它们都完美无瑕地描述了科学界已知的几乎所有的物理现象。如果我们想要知道将它们融为一体的理论是什么样子的，那么就得寻找它们无法解释的事物。“挑战在于寻找那些现象，”科斯特莱茨基说。这正是他和塔松认为他们现在也许能够做的事情。

　　作为第一步，他们向物理学中近乎神圣的、以洛伦兹对称而闻名的假设前提发起了攻讦。按照这一前提，物理学定律对于任何以相对于你统一速度运动的人来说似乎是相同的，不管这些人在空间中的定向如何。

　　洛伦兹对称所带来的一个后果，是宇宙应该具备各向同性：不管你朝什么方向观视或行进，世间万物看上去差不多是相同的，而且是以同样方式起作用的。无所谓“上”或“下”，也不存在能让光、人类或行星更易于行进的方向。

　　到目前为止，宇宙中还没有什么事物被证明是违背洛伦兹对称的。但那并不意味着洛伦兹对称是不可侵犯的。它恰恰意味着我们迄今为止的着眼点是错误的，或者说探寻对称侵犯的实验缺乏足够的灵敏度。

　　科斯特莱茨基和塔松并不是随便在找洛伦兹对称的茬儿。各种旨在建立万物至理的尝试都表明它可能会失效。其中最负盛名的，是所谓超弦理论和圈量子引力的处理方法。

　　然而，科斯特莱茨基并没有寄希望于特定的万物至理。相反，他采取了一种不预设答案、随时容许修正的态度，希望藉此让我们了解到哪里去寻找洛伦兹对称遭破坏的现象，对未来的理论有所启迪。

　　他和他的同事运用广义相对论和标准模型作为起点，然后提出了种种破坏对称的方式。他们为此假设：宇宙中充满着迄今未知的力场，这些力场会将“优先选取”的方向强加给空间，从而使对称遭到破坏。结果，便形成了一种被科斯特莱茨基称为标准模型扩展(SME)的理论。

　　SME理论将所有已知的力和粒子纳入考察范围，同时还兼顾到它们如何与新力场发生的相互作用，由此揭示了各种各样迄今被置若罔闻，实则有望为观察洛伦兹对称侵犯提供机遇的现象。“当前，实验人员正在按名单所列进行探索。”科斯特莱茨基说。

　　到目前为止，他们都以失败而告终。研究人员考察的内容包括：时钟在空间的某个定向是否走得更快一些，或者因材料内部的电子自转而形成的磁场是否会随着电子自转轴的定向而发生变化。到目前为止，他们什么也没有发现。

　　感受“X场”的微妙影响

　　宇宙中迄今未知的X场与引力之间的相互作用，可能是值得科学家去开掘的丰富矿藏。根据最新的计算结果，这些相互作用产生的对称侵犯可能比研究人员迄今力图发现的大1030倍。所以，“苹果在不同季节可能是按不同速率坠落的，这将是一种周期性的效应。”

　　然而，这并不意味着我们可以想当然地认为SME中的力场是不存在的。有些力场对光子可能是无形的，而对中子等其他粒子则是可见的。或者说，也许有一个力场会同引力发生强烈的相互作用，而与电磁学无关。

　　为了弄清这个理念是如何发挥效用的，不妨想象一下科斯特莱茨基所说的贯穿于太阳系的SME场之一——姑且称之为“X场”。与磁场或电场一样，X场也具有可以用一系列箭头来勾勒的定向。当中子或光子等粒子穿越它的时候，会发生什么情况呢？

　　首先，这个力场会给粒子自转带来微妙莫测的影响，或是在其轨迹中形成一个小小的相移。或者说，也有可能是不同类型的粒子对力场作出了不同的反应。

　　我们从来不曾觉察任何这样的效应，所以从来也没有检测到任何这样的力场。但科斯特莱茨基和塔松指出，我们的看法可能是不大对劲的。如果X场和太阳的引力彼此影响的话，那么，很可能存在着我们不曾留意的效应。

　　X场与引力之间的这种相互作用，可能是值得科学家去开掘的丰富矿藏。科斯特莱茨基和塔松最新的计算结果表明：这些相互作用产生的对称侵犯可能比研究人员迄今力图发现的大1030倍。

　　然而，这不会使对称侵犯现象变得易于检测：与其他的基本力相比，引力之微弱是令人惊叹的，所以X场引起的变异依然是极难测量的。

　　我们可望获取X场佐证的一个途径，就是寻找引力强度在一年不同时节的微弱差异。“苹果在不同季节可能是按不同速率坠落的，”虽然科斯特莱茨基无法预测苹果何时会降落得更快些，但他声称“这将是一种周期性的效应。”

　　这是因为太阳的引力可能使X场发生轻微的扭曲。根据科斯特莱茨基的计算结果，引力会造成X场的箭头朝太阳倾斜，其程度取决于引力场在那个方位的强度。由于X场在空间中不同方位的这种差异，粒子的特性会随着地球环绕太阳巡行而发生变化。至于它如何发生变化的过程，设计得当的实验恐怕还是有可能检测到的。

　　科斯特莱茨基和塔松提出了另外一种可能性，那就是X场以不同方式对不同粒子的影响。比如说，每种夸克会程度不同地“感受”到X场的存在。或者说，一个原子中的电子数目也许将决定那个原子如何与场，进而与引力形成耦合。甚至还有这样的可能性：原子的组合粒子及其在空间中的位置等各种因素的综合，将会塑造不同物体如何与X场和引力耦合的更完美细节，进而形成意想不到的效应。“苹果和橙子可能是按不同速率坠落的。”科斯特莱茨基说。

　　值得期待的实验结果

　　尽管这个话题听起来很爆冷门，迄今为止的实验结果也远远未能印证科学家的预测，但相对论和量子理论的结合问题是如此重大，我们无法不对心存疑窦的任何原理进行一番测试。

　　不过，克劳利西澳大学的物理学家迈克·托巴尔认为，科斯特莱茨基和塔松的论文听起来好像很爆冷门，其实却提出了一种令人振奋的新见解。“这是迄今为止取得的一个重要进展。”他说。哈佛大学的罗纳德·沃尔沃思也有同感：“我期待着若干实验小组现在就着手搜寻科斯特莱茨基所假设的效应。”

　　那么，他们将会从何入手呢？由于这些效应是通过粒子对引力的反应方式作为异常现象而表露出来的，因此科斯特莱茨基和塔松建议对牛顿修正版的万有引力定律进行一番测试。目的是看一看它在不同的时间和不同的地点，被应用于光子、中子和电子等粒子程度各异的组合时是否会固守不变。迄今为止已经探测的，只是这个新的可能效应范围中极小的一部分。

　　由西雅图华盛顿大学的埃立克·阿代尔伯格所作的此类探究，目的是要调查铍和钛对引力反应方式的差异。“阿代尔伯格的实验，就好像是在对同时坠落的苹果和橙子加以比较。”科斯特莱茨基解释说。

　　没有人对此心存任何幻想。如果说对这些不同元素的引力存在差异的话，那也是微乎其微的。这也是何以有华盛顿大学研究人员参与其间的原因：擅长运用极度灵敏的扭力平衡，以便为探索此类情景而测定两种质量之间的引力。

　　为了进行实验起见，他们还得保护自身平衡不受电磁场和源自附近实验室的震动的影响，同时补偿地下水位在一年的不同时节上升和下降时发生变化的引力。

　　然而他们最终还是发现：至少铍和钛同引力的耦合没有什么两样——差异仅为1000亿分之一。

　　科斯特莱茨基并没有气馁。阿代尔伯格的实验所测试的，只是假设场与引力之间的一种相互作用。科斯特莱茨基相信，在一年的不同时节所进行的实验会揭示耦合的另一个侧面。随着季节更替，地球速度和X场箭头的相对定向都会发生大幅度的变化。

　　如果这一点做不到的话，还会有其他途径可供选择，包括揭示宇宙对称的反物质范畴。“苹果和反苹果可能是按不同速率坠落的。”科斯特莱茨基说。这个理念甚至要更加难以探明：例如积累足够的反物质以形成相当于苹果质量的物体，那不是我们当前的技术水平所能胜任的。虽然反氢弹已被研制出来，但目前正在设法确认它们是否是按不同于氢原子的方式坠落的。“在未来十年内，我们可能会有结果的。”科斯特莱茨基声称。

　　科斯特莱茨基正在规划其他可望揭示SME所假设的力场的实验，其中涉及超导体引力传感器、探测到月球距离的激光器、原子干涉仪以及未来基于卫星的引力实验；所有这一切会有助于发现恼人的对称是在哪里销声匿迹，躲躲闪闪的宇宙终极理论又是在哪里崭露头角的。

　　不错，那就是未来的希望所在。虽然沃尔沃思同意此类实验是重要的，但他还是无法确信它们将会揭示任何对称侵犯的现象。“无论从哪方面来看，都不能肯定它是存在的，或者说我们人类真的会有能力去发现它们。”他说。

　　阿代尔伯格相信，相对论和量子理论的结合问题是如此重大，我们无法不对心存疑窦的任何原理进行一番测试。“看来非常可能的是，我们正在丧失物理学中某种无与伦比的东西。”阿代尔伯格说，“我会为洛伦兹破坏效应的大规模存在而感到震惊，但它肯定是值得验证的，以便看一看大自然是否尊重我的偏见。”

　　假设存在“X场”力

　　宇宙中可能包含着一种尚未被发现、有X场之称的力。如果它受到太阳引力的影响，那么其定向就会在空间的每个点上发生变异。这种变异可能是我们发现此类力场的最佳希望。

　　通过灵敏度很高的实验可以揭示力场的影响，例如物体在引力下坠落的速率，它在一年的不同时间会形成不同的结果。

　　引力之谜

　　引力，是我们大家都知晓，而且自认为理解了的力。然而，它却是自然界四种基本力中留下谜团最多、最令人困惑的力——

　　引力到底是什么？

　　要是你纵身向上跳跃，地心引力就会把你拉回到地面。要是你爬上一座山的悬崖边缘，引力就会加快你从另一侧下山的速度。这一切表明：作为一种影响和改变其他事物之运动的力，引力是按牛顿认定的方式行事的。

　　至少，在爱因斯坦出现以前，事情看来好像就是如此。他的广义相对论告诉我们：引力实际上并不是那么简单。广义相对论提供了一个框架；在此框架内，不管人们如何运动，物理学规律似乎时时刻刻对每个人都是相同的。广义相对论将引力描述成几何图形。

　　宇宙的结构——四维时空，充满着因质量和能量存在而形成的团块。这就不可避免地会造成时空的扭曲变形；任何事物——不管是你、我，还是一片太空尘埃抑或一个光子——无论何时试图以直线的形式穿越宇宙，实际上都会遵循一条被附近的任何质量和能量所弯曲的轨迹。这种弯曲的结果，就是我们心目中认定的引力。稍微换个视角来观察，引力并不是一个物体直接作用于另一个物体的结果，而是一个物体的质量作用于周遭宇宙的产物。

　　然而，像牛顿那样把引力当作某种直接的作用力来处理一向对我们是十分有用的。它使我们能以惊人的准确性将火箭送上月球并测绘行星的轨道。在涉及到高速和加速度的场合，爱因斯坦的描述同样能经得起严密的检验。但牛顿模型也好，相对论也罢，虽然各有效用，其实并不是对引力的一种基本解释。我们依然不知道：质量、能量和时空的基本量子属性是如何经过组合而形成这一现象的。

　　为什么引力只把物体往下拉？

　　自然界的其他力都有对立面。拿电磁力来说，它可以相互吸引，也可以相互排斥，视有关物体的负荷而定。那么，是什么原因使引力变得与众不同的呢？

　　答案似乎与量子场论有关。传送强核力、弱核力和电磁力的粒子具有不同类型的负荷，例如电荷或色荷等。“这些负荷可以是正的，也可以是负的，”麻省理工学院的弗兰克·维尔切克说，“这就为作用力的符号提供了形形色色的可能性。”作为一种假设的粒子，引力子理应像量子场论所宣称的那样传递引力，但实际情况并非如此。“引力子对能量密度作出反应，而这种密度永远是正的”。

　　引力与其他基本力之间的明显差异对物理学家提出了一个难题，那就是创建“万有理论”，为所有这些现象提供独一无二的解释。目前多数理论家都预料，导向这一理论的最佳途径，是通过自然界中一种有超对称性之称的隐对称；据它提示，每种粒子都有一个沉重得多的孪生粒子在等待发现。

　　引力为什么如此微弱？

　　跳离地面几英寸简直不需要费什么劲，你有没有想过这是一件多么了不起的事？你那微不足道的肌肉，充其量只有几公斤重，居然能克服质量为6×1024公斤的地心吸力。由此可见，引力实在是太微弱了，要比夹持原子于一体的电磁力弱小1040倍。

　　其他基本力作用于不同的范围，即使在类型截然不同的粒子之间也是如此，但彼此似乎都具有大体上可以比肩的强度。然而，这一点对引力却并不适用。为什么会是这样的呢？

　　到目前为止，我们的最好解释源于超弦理论，亦即最有希望发展成为“万有理论”的候选学说。超弦理论认为，我们在宇宙中所能体验的空间维度超过3个，很可能多达10个。根据超弦理论家的最佳构想，引力之所以如此微弱，是因为与其他基本力不同，它还能渗入和渗出这些额外的维度。因此，我们得以体验的，只是引力零星点滴的真实强度。

　　瑞士日内瓦附近由欧洲核子研究中心(CERN)研制的大型强子对撞机(LHC)，可望解开引力何以如此微弱的谜团。虽然提供完整答案的可能性不大，但如果大型强子对撞机发现了卡鲁扎-克莱因理论所预测的粒子的存在证据，那么，引力栖息于额外隐匿维度的问题就会得到清晰梳理。

　　早在上世纪30年代，这些课题就由尝试将电磁学和引力融为一体的理论家提了出来。当人们熟知的粒子溜进一个额外维度时，所谓卡鲁扎-克莱因状态的粒子也就应运而生了。它们格格作响在那里兜着圈子，发出了一阵泄露其重粒子真面目的“回声”。

　　我们能够抗拒引力吗？

　　尽管构建引力屏蔽的观念历史悠久，但至今仍无人设法将其付诸实施。

　　在这方面作出最著名尝试的，当推俄罗斯科学家叶甫盖尼·波德克莱诺夫。他在1992年发表了一篇论文，声称在陶瓷超导体制成的一个旋转盘近旁，检测到重量减轻2%的现象。2003年，奥地利研究中心的研究人员马丁·塔伊玛提出了类似的主张，并在欧洲航天局的资助下进一步开展研究。3年后，塔伊玛和欧洲航天局宣布：他们已在旋转超导体上测得一种效应，经过进一步发展即可用来影响引力。其他人也作过这方面的努力，却未能把这种效应复制出来。

　　密苏里大学的物理学家巴赫拉姆·马什胡恩认为，不该嘲笑那些继续在这个领域从事研究的人们。也许，它恰恰会变成我们得以实现星际航行的惟一途径。有些研究人员提出，一旦超越某个临界速度，相对论就会产生相互排斥的引力效应；这些效应不仅可以用作星际航行的推动力，而且也起着引力屏蔽的作用。按照目前的技术水平，我们几乎要花100万年左右的时间才能抵达最邻近的恒星，这就难怪会有人潜心钻研这些问题。