犧牲愛因斯坦 顛覆相對論基石

要想建立一個包羅萬象、能夠解釋一切作用力的所謂「萬物至理」，第一步或許就是要犧牲掉愛因斯坦所鍾愛的等效原理——而這恰恰是廣義相對論的基石。

愛因斯坦的等效原理認為，引力和加速是一回事。圖片來源：gaitu.com

（文/Stuart Clark）科學家通常不太相信巧合。如果兩件事情沒有實際的聯繫，那就沒人會有興趣再深究它們。然而，如果巧合不斷地發生，其中就必然會有一些潛在關聯。科學的任務就是找出這些關聯，並以此說明根本就沒有什麼巧合存在。

然而，現代物理學的一個龐大分支恰恰就搖搖晃晃地建立在一個巨大的「巧合」之上——這件事情實在是非常古怪。

這個巧合植根於我們看待和定義「質量」的方式之中。它涉及這個世界的運作方式，而且太過於基礎，以至於我們中的大多數人每天都會遇到它，卻從未產生過任何想法。不過，對於世界上一流的物理學家來說，這個巧合已經困擾了他們好幾個世紀。伽利略和牛頓都跟它做過鬥爭，但最終也只能接受它的存在而無法解釋它。愛因斯坦更向前進了一步：他宣稱這是一種自然原理。接著，他以這個「等效原理」（equivalence principle）為基礎，建立了迄今為止解釋神秘引力的最佳理論——廣義相對論。

但是，存在一個問題。如果我們想要找到某個更好更全面的理論，能夠把引力與支配這個世界的其他作用力統一起來，等效原理就不能存在。我們必須破解這一巧合，或者更激進一些，重新考慮物理學應該要如何發展。

等效原理有很多個版本，但萬變不離其宗：引力場對物體施加的作用，無法與加速運動產生的效果區分開來。愛因斯坦的一個思維試驗可以把它解釋清楚。設想一個人站在地球上的一部電梯內部，是什麼使他穩穩地站在地板上？當然是無處不在的引力。現在，想像同一個人處在同一部電梯中，只不過電梯處在浩淼的宇宙深處，遠離任何引力物體。一枚火箭推動這部電梯加速運動，加速度剛巧跟地球上的重力加速度相等。這位乘客仍然可以穩穩站在地板上，跟前一種情況完全一樣。

為什麼沒有引力，情況也是一樣呢？在這種情況下，使乘客飄不起來的是他的慣性。慣性是萬物反抗加速的一種自然屬性——當司機踩下油門的時候，你就會感受到慣性把你推到椅子背上。

在這兩部電梯里，乘客都有一個共同的屬性——質量。但這兩個質量來源於完全不同的兩個方面：前一個是引力質量，是對引力作用的某種反應，使物體在引力場中加速運動；後一個是慣性質量，體現了物體抵抗加速運動的能力。

愛因斯坦提出的等效原理，是他推導出解釋神秘引力的廣義相對論的重要基石。圖片來源：新科學家

兩個質量在數值上總是完全相等，這是等效原理的另一種表述方法。這個「巧合」可謂影響深遠。如果這兩個質量不相等，不同質量的物體在地球上就會以不同的速度下落，而不會在同一個引力場中以相同的方式加速運動。這種「自由落體的普適性」，最早是由伽利略檢驗過的，據說他曾在比薩斜塔上同時丟下了一袋羽毛和一袋鉛塊（當然，這只是個傳說而已）。實際上，引力和慣性質量的等效會影響整個宇宙中所有的引力運動。打個比方來說，如果引力質量比慣性質量稍大一點，行星圍繞恆星以及恆星圍繞星系的旋轉速度就要比現在稍快一些。

然而，沒有任何顯而易見的理由可以解釋，為什麼這兩個質量就應該相等。但只有作出這樣的假設，愛因斯坦才能把他那套時空拉伸和擠壓的古怪想法發展完整，這還是1905年愛因斯坦提出狹義相對論時率先引入的概念。愛因斯坦設想：一個大質量物體（比如行星）壓縮周圍的空間，並且越靠近它，壓縮的幅度就越大。隨著某個物體落向這顆行星的表面，穿過這些被壓縮的空間所需的時間就會越來越短——看起來就像是在加速運動一樣。

到了1916年，這個想法引導愛因斯坦發展出了廣義相對論。在廣義相對論中，引力只是物體在逐漸被壓縮的空間中作勻速運動而表現出來的一種「假象」。沒有了引力，引力質量也就成了虛構的概念。宇宙中只剩下唯一一種質量還在發揮作用，它給物體賦予了慣性。等效原理背後暗含的「巧合」，就這樣消失不見了。

廣義相對論精確無比，經受住了迄今為止我們所作的全部檢驗，能夠準確預言天體位置，在精密引導人造衛星方面也得到了應用。但是，它的一些古怪之處仍讓物理學家不太舒服。在自然界中，物體之間的所有其他作用力都是通過極輕的粒子來傳遞的，比如電磁力就是通過交換沒有質量的光子，在帶電物體之間傳遞的。表面上看來，引力的作用方式並沒有什麼不同，似乎也應該通過這種方式傳遞才對。

於是，讓引力與量子理論統一口徑，就成了構建弦論和其他所謂的「萬物至理」（theories of everything）等嘗試的主導思想。但是，如果將引力重新劃歸為一種真實的作用力，就需要找到某種東西讓它能夠依附，就好像電磁力依附於電荷一樣。換句話說，「真實」的引力需要依附於引力質量，這種質量必須與慣性質量分道揚鑣才行。

這意味著，通往「萬物至理」的路途上必須經過的第一步，就是犧牲掉愛因斯坦所鍾愛的等效原理。「任何量子引力理論必定會在某種程度上違背等效原理，」英國劍橋大學理論物理學家本·格里派奧斯（Ben Gripaios）如是說。

那麼，該怎麼辦呢？一種已經在嘗試和檢驗的方法就是，試圖證明兩種質量並不完全等效，只是在數值上非常非常接近而已。它們之間哪怕只有一丁點兒的差別，就意味著廣義相對論只是一個近似，意味著在更深的層次上必定存在一個更精準的理論。德國不來梅大學的克勞斯·拉默扎爾（Claus L?mmerzahl）說：「如果有人找到這個差別，我們就實現了重大的突破。」

實現這個突破的一種方法，與伽利略的「比薩斜塔實驗」異曲同工，就是檢驗自由落體的普適性以及等效原理的其他推論，期望在其中找到一些細微的異常。不過，到目前為止，基本沒有人成功（參見補充閱讀「自由落體」）。

如果不同的物體在引力下以不同的速度下落，等效原理就被打破了。圖片來源：Stefan Schmidbauer/ZARM

與此同時，理論學家也提供了另一條線索。他們指出，不論愛因斯坦所說的「引力並不存在」是否正確，現在還沒有人能夠給出一種令人信服的方式來解釋慣性。「我們不知道如何定義慣性，」格里派奧斯說，「我們只知道它必定跟質量密切相關，但除非我們能夠精確地定義它，並且知道如何去測量它，否則我們無法給出一套理論來解釋它。」

可以確定的是，慣性並非全部來自質量的提供者——希格斯場（Higgs field）。2012年，在對瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機中粒子對撞產生的碎片進行仔細篩查之後，物理學家找到了希格斯場及其對應粒子存在的證據。儘管希格斯場被認為能夠給電子和夸克之類的基本粒子賦予質量，但是在夸克結合成更重的粒子，比如構成普通物質的中子和質子時，質量會比夸克的質量之和多出上千倍。這些多出來的質量並非來自於希格斯機制，而是來自於使夸克結合在一起的能量。這兩種效應必定通過某種方式結合，再配合其他東西，共同給物體提供了抵抗加速運動的能力。「希格斯機制不可能單獨承擔起賦予物體慣性的那個神秘角色，」格里派奧斯說。

接下來該怎麼做？史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在上世紀70年代的工作提供了一條思路。諷刺的是，霍金當年提出這個想法的依據，正是等效原理的一個嚴格的推論。霍金當時正在研究黑洞的性質，這是一種密度高到難以想像的天體，它的存在正是廣義相對論的一個核心預言。霍金提出，黑洞應該會向外發出的輻射，因為空間中不斷產生的量子粒子對，在靠近黑洞的地方會被分開，一個被黑洞吸進去，另一個則被留在外面。於是，加拿大物理學家威廉·昂魯（William Unruh）等人由此提出：如果引力和加速真的是一回事兒，那麼在真空中加速運動的任何物體，也應該會發出類似的輻射。

和霍金輻射一樣，昂魯提出的輻射也沒有被明確探測到過。要產生實驗室里探測得到的輻射強度，物體的加速度必須非常高才行。不過也有人聲稱，在粒子加速器的強磁場中作加速運動的電子身上，他們已經觀測到了這種輻射。

在昂魯輻射被提出大約10年之後，德國馬普學會地外物理研究所的天體物理學家伯納德·海施（Bernard Haisch）和美國加利福尼亞州立大學長灘分校的電氣工程師阿方索·呂埃達（Alfonso Rueda）意識到，真空與物體的相互作用並不只限於物體表面，而是會作用於整個物體——這就會在物體運動的相反方向上產生一個作用力。他們開創性地把這種力類比成洛倫茲力（Lorentz force），也就是帶電粒子在磁場中運動時會感受到的那種力。這就相當於量子真空中的某種「電磁」相互作用。用海施的話來說，「這看上去剛好就是你們想要的慣性。」

英國普利茅斯大學的邁克·麥卡洛克（Mike McCulloch）認為，這樣的相互作用也恰好是打破等效原理所必須的。昂魯輻射有一個預言是這樣的——就像熾熱物體發出的熱輻射一樣，昂魯輻射在不同波長上也有不同的強度。對於加速度很小的物體，它的昂魯輻射對應的溫度較低，會以超長波輻射為主。如果加速度確實非常小，有些輻射的波長就會比可觀測宇宙的尺度還要大，因而會被有效地截斷。

在這種情況下，根據麥卡洛克在2007年所做的計算，一個物體感受到的昂魯輻射總量會有所下降，它受到的與加速方向相反的力也會減小。於是，它的慣性就會變小，要比標準的牛頓運動定律更容易移動——這樣一來，慣性與引力質量的關聯就被切斷了。

這種觀點的麻煩在於難以檢驗。在地球這種強引力環境中，小到能夠產生可觀測效應的加速度並不容易獲得。但是在星系邊緣那樣的弱引力環境中，這種效應或許很容易看見。事實上，麥卡洛克注意到了大多數旋渦星系中出現的恆星運動異常，他提出這種機制或許可以解釋另一個長期懸而未決的宇宙之謎——暗物質（參見補充閱讀「暗慣性」）。

平心而論，這種觀點並沒有轟動世界。海施和呂埃達提出他們的機制之後，NASA立刻撥款支持他們作更進一步的研究，他們還從私人那裡籌集到了大約200萬美元的研究經費。但是，由於缺少可供檢驗從而證明他們觀點正確的預言，這些經費和人們的興趣很快就要耗盡了。

儘管如此，就連拉默扎爾這樣的保守派也認為，我們不應當讓這個想法從手中溜走。「雖然我更偏向於弦論，但是這些『真空相互作用』的觀點也並非一無是處，」他說，「我們必須認真地審視它們，看看它們能不能給我們帶來新的方法，去檢驗等效原理。」

2010年，以巴西塔茹巴聯邦大學的維托利奧·德洛倫西（Vitorio De Lorenci）為首的三位巴西天文學家提出了一個檢驗方案。他們提出，用一個旋轉的圓盤來抵消地球在空間中旋轉和移動所帶來的加速運動。當加速度降到最小時，圓盤的慣性應該會降低，意味著它應該比牛頓定律得出的轉速要快一些。儘管成本不高，但他們沒能籌到經費來進行這項實驗。

除非有人完成一項實驗證明等效原理是錯的，或者在理論上證明它必須是對的，否則這個死結就破解不開。但是，如果最終引力質量真的是慣性質量的另一種形式——先不去管慣性到底是什麼——那麼，被放到祭台上準備祭天的，就會輪到包括弦論在內的量子引力論了。通向「萬物至理」的道路也會更加曲折。如果引力不是一種作用力，而真的像廣義相對論描述的那樣，是時空彎曲產生的一種幻覺，我們就必須從更深層次上去理解，是什麼造成了這種時空彎曲。

只是巧合而已嗎？這一回，連科學也沒辦法輕易反駁了。