万有引力将成为科学史上最大谜团

伤我心太深

万有引力是人类最早认识的一种相互作用。1687年，牛顿在其出版的《自然哲学的数学原理》一书中就提出了这一概念。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。

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有很多人都说，这就是新能源汽车的模型，但是都忽略的万有引力定律，磁铁在吸车的同时，车也在对磁铁做力，刚刚相等。

万有引力

然而，这个最早被人类所认识的相互作用，却又是困惑人类时间最久的谜团。早在笛卡尔时代，人类就试图找到引力的根源，但时至今日，问题依然没有答案。

爱因斯坦的广义相对论曾经将引力的本源向前推进了一步。但是，爱因斯坦的理论仍然是一个“唯象”的理论，只是将引力问题替换成一种新的表达方式，用四维空间的弯曲来描述；但是在引力源——也就是含有质量的这一项上，爱因斯坦的理论与牛顿的引力理论相比没有任何进步。

目前，人类已知的所有粒子都有质量，甚至是被称为“宇宙幽灵”的中微子，前几年也已测出了它的质量。所以，可以这样说，引力可以和所有的基本粒子发生耦合——即相互作用。

也许正是由于引力的这一特性，才激发了苏格兰的理论物理学希格斯设想将质量的来源假设为一种真空涨落。由于所有的粒子都存在于真空背景之中，所以，真空涨落就可以作用于任何粒子。用真空涨落来解释质量的来源似乎可以说得通，这就如同在海面上生活的渔民天天感觉到海浪的冲击一样。

希格斯的设想在20世纪80年代被发扬光大。人们拓展了这一理论，甚至在理论上预言了赋予任何粒子质量的粒子——希格斯子。

但是，时至今日，人们既没有在太空观测到，也没有在粒子加速器上发现希格斯子的踪迹。

是自然界在和人类捉迷藏，还是人类的认识出了偏差?答案似乎很明确，自然界天天在和人类捉迷藏，人类的理论无法触及引力的本源。

时至今日，引力的本源问题已经成了物理学史上最大的悬案。

自然界也许真的在愚弄人类，让人类最早认识引力，但又将引力的本源深藏于自然的深处，用4个世纪的时光与人类捉迷藏。

目前，理论物理学家回过头去整理人类关于引力本源的探索历程，比较一致的看法是：引力的本源深藏在质量之中，既牛顿万有引力方程中的引力常数之中。这个常数，同样出现在爱因斯坦的广义相对论引力方程右边的项中。

现在，人类的认识已经深入到了构成质子、中子的基本单元——夸克，并确定自然界中夸克的种类一共有6种，而且夸克有“渐近自由”的基本性质。但是，夸克是由什么构成的?夸克的荷电机制是什么?这些更基本的问题依然没有答案。

虽然喧闹一时的弦理论声称可以解释夸克的性质及粒子荷电的机理，但是，弦理论却又提供不出任何可供人类从实验上验证这些机制的可行方法。因此，弦理论似乎更像是“数学游戏”，而非物理理论。

从笛卡尔到牛顿，又到爱因斯坦，直至今天，引力的本质成了物理学天空中一团最大的迷雾。粒子物理学的进步非但没有帮助人类解开引力之谜，反而将引力问题更加复杂化了。特别是20世纪90年代发现宇宙暗物质之后，引力和暗物质之间的关系更是让这一谜团谜上加谜。可以肯定，暗物质和引力的本源有最直接的关系。但是，暗物质是什么?由什么粒子或者什么量子态构成?这些难题更是试图揭开引力之谜道路上遇到的新谜团。

引力似乎成了一个由谜团构成的魔盒，打开外面的大盒子，发现里面又装着几个小盒子；打开一个小盒子，又发现小盒子里面是更小的盒子，无穷无尽。

引力的本质已经成了挑战人类智力的最大游戏。这个游戏由笛卡尔、牛顿拉开序幕，而演出仍在继续，并且看不到终点。

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1727年牛顿谢世后，关于引力本质的讨论一直没有停止过。18世纪是机械学观念流行的时代，在继承了笛卡尔的宇宙旋涡观念后，法国著名数学家拉普拉斯发展了宇宙旋涡理论，认为引力的本源源自于宇宙中存在宇宙旋涡，它带动了星体的运动，并产生出万有引力。

1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应现象，后来又提出电磁场的概念，于是有人就认为引力也许如同电磁力一样是通过一种场——引力场来传递的。法拉第一度也曾对引力的本质入迷，他还试图通过引入“场”概念来统一引力和电磁力，但由于他本人是靠自学成才的，数学的基础太差，所以设想无法用数学表达出来。

1855年，麦克斯韦建立了电磁理论的基本方程，此后，麦克斯韦花费了大量时间试图建立电磁场方程，用一组方程来揭示万有引力的本质，但未能成功。

1915年，爱因斯坦基于物质的惯性质量与引力质量的等效性建立了广义的相对论。广义相对论用时空弯曲的概念来描述万有引力。由此推导出的引力方程包括了二部分，方程的左边是描述时空弯曲的张量式，方程的右边是描述引力源，即质量。由于是描述引力源的，所以方程的这一项包含了万有引力常数G。

爱因斯坦不愧为划时代的物理学家，他对物理学有常人所不及的洞察力。就在广义相对论引力方程建立后的第二年，爱因斯坦在柏林科学院的一次会议上就说：“(广义相对论引力方程)左边的项(即描述空间的张量的项)是大理石一样的雕刻，但方程右边的项(即描述引力源的基)如同朽木。”很显然爱因斯坦看出了方程右边这一项的明显不足，因为它引入了一个经验常数——万有引力常数G，而正是这个常数为今后引力的量子化设置了一个永远无法逾越的障碍。

当采用量子场论的方法处理引力方程时，对场源即质量进行积分，得到的是一个无穷大的值。类似的情况也曾出现在电磁相互作用之中，当用量子场论方法处理电磁相互作用时，对电场E积分也会遇到无穷大的情况，但是，这一问题不久就被解决。物理学家通过采取叫做“重正化”的方法处理时，可以将无穷大消除。但是将这一方法移植到引力场方程中却失败了，原因是，电荷的量纲在标准单位制中为零，所以，可以用重正化方法消除无穷大。而引力场方程中，质量的量纲是个负值，人类永远找不到一个这样无穷大的函数，可以将另外一个无穷大抵消至一个有限的数字，而这一切不幸的根源就在于质量这个概念本身。

事实上，无论是牛顿的引力方程，还是爱因斯坦的引力方程，对质量本身的定义都是很模糊的，它只是个宏观的量，而它的来源是未知的。而真正想了解引力的本质，必须要认识质量的来源。

关于质量的本源，20世纪60年代有了进展。当时，苏格兰的一位叫希格斯的年轻物理学家写了一篇短文，文中描述了真空中的自发对称破缺机制，认为真空的量子涨落伴随一种新型的粒子，而正是这种神奇粒子的存在赋予任何物质以质量。后来人们就将这种粒子称为希格斯子。从1962年希格斯预言这种粒子至今已经快半个世纪了，但是却一直没有在实验中观测到这种粒子，后来物理学家们将原因归结为目前粒子加速器的能量太低，达不到产生这种粒子的能量，于是欧洲核子研究中心就决定新建一个能量更大的“超级粒子对撞机”，以用于寻找这个被称为“上帝的粒子”的神秘粒子。2008年，超级对撞机建成并投入运行，但几天后就因故障停运，所以，寻找希格斯粒子仍然路途漫漫。

霍金等人对希格斯子的存在不抱希望，他认为，质量的来源也许有其他的未知机制，希格斯子也许并不存在，他还和别人打赌，说如果希格斯子真的发现了，他将愿意输200美元。

任何对希格斯子存在与否的理论猜测都必须最终由实验判定。所以，物理学家们现在都憋足了劲，等待实验奇迹的出现。

但是，如果希格斯子不存在，现行的关于粒子“标准模型”就面临巨大的挑战，但对新世纪的物理学来说，这也许是一件好事，一个发展的绝好机遇，它表明，自然界的本质远比我们想象的复杂，自然界的天书只有靠我们永远不懈的努力才能书写出新的篇章。

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牛顿和爱因斯坦都曾潜心研究，但至今仍无人能完全破解

   万有引力到底是什么？毫不夸张地说，万有引力是物理学领域最大的课题。
万有引力是物体之间产生的相互作用，不管它们是由什么“材质”构成的，也不管它们多么小或者多么大，都会相互吸引。而且，不管它们之间有多少障碍物，相距就算有数亿光年之遥，万有引力依然存在。正是由于万有引力的存在，遍布宇宙空间的气体和尘埃才聚合成了星星、星系和大尺度结构。今天，它们依然在不断地聚合，深深影响着宇宙的未来形状。
有史以来最伟大的天才科学家牛顿和爱因斯坦都曾为了破解万有引力之谜而呕心沥血，潜心研究。万有引力是怎样产生的？是靠什么传递的？本质又是什么？
在21世纪的今天，依然有众多科学家在全力以赴地试图破解万有引力之谜。令人遗憾的是，迄今为止依然无人能破解它。万有引力，就像一团迷雾，充满了神奇色彩。让我们来“见识”一下万有引力吧。

在宇宙空间中，有两个质量为1千克的球（A和B），球心相距1米，它们之间的万有引力是多大呢？我们知道，牛（或牛顿，N）是表示力的大小的单位，1牛是能使1千克质量的物体产生1米/秒2加速度所需要的力。万有引力的大小也用牛表示。根据万有引力定律公式（见右页）的计算，相距1米、质量为1千克的A、B之间的万有引力为6.67384×10-11牛。
两个物体相距越近，它们之间的万有引力越大。因此，随着A与B的距离逐渐缩小，万有引力慢慢变大，它们靠近的速度也逐渐加快，大约26.7小时后，A和B终于撞在一起（假设A与B的直径极小，可以忽略不计。如果A和B的直径比较大的话，相撞所需时间就会缩短）。
如果A与B之间的距离保持不变，但是它们的质量都增大为2千克的话，结果将如何呢？研究表明，相撞所需时间大约为18.9小时。那么，A与B的质量保持1千克不变，它们之间的距离增大为2米的话，结果又是怎样呢？答案是：相撞所需时间大约为75.5小时。

所有物体之间都存在引力
17世纪英国最伟大的天才科学家艾萨克·牛顿（1642～1727）这样阐述万有引力：“任何具有质量的物体都是通过质量造成的万有引力才吸引在一起的”，并用万有引力定律明确了：万有引力不仅存在于地球与物体之间，还存在于任何物体之间。
英国物理学家、化学家亨利·卡文迪许（1731～1810）最先精确测量了两个物体之间微弱的引力。他利用扭秤，精确测量了两个大小不同的铅球之间极其微弱的引力，证实了任何物体之间都存在引力。


亨利·卡文迪许
    利用扭秤精确测量了物体之间极其微小的引力。此外，卡文迪许还取得了一系列重大发现。他用酸与金属反应而发现了氢气，并发现氢气在氧气中燃烧可以生成水。他还比库仑早十几年发现了库仑定律（两个电荷之间的作用力与它们距离的平方成反比）。卡文迪许虽然身为贵族和大富翁，却性格孤僻，很少与外界往来。他长期深居独处，毕生致力于科学研究。

子弹星系团1E0657-556的图像。在可见光的图像上，叠加了X线的图像。红色为星系间气体、紫色表示计算出的暗物质分布。

不管两个物体相距多么遥远，它们之间都存在引力吗？

正如任何具有质量的物体之间都存在引力那样，太阳和地球之间也有相互作用的引力—尽管它们离得那么遥远，相距大约1.5亿公里。太阳的引力真的能传到无限遥远的地方吗？
地球、地球以外的行星及小天体与太阳之间都存在引力。研究认为，太阳系的最边缘是一个被称为奥尔特云的区域，距离太阳核心约有10万亿公里之远。该区域内由冰和岩石组成的小天体群同样受到太阳引力的影响。
可以肯定地说，在比10万亿公里更遥远的地方也存在着引力。位于银河中心的黑洞与太阳之间也存在引力。银河中心离太阳的距离大约为2.6万光年（1光年为9.46万亿公里）。
研究还认为，银河与其近邻仙女星系之间也存在引力—尽管它们相距大约230万光年，并将在40亿年后相撞。万有引力真是无处不在！

没有一种力能与万有引力抵消
为什么万有引力无处不在呢？在物理学中，除了万有引力，还有磁力、静电力等等。磁力和静电力都能产生相互吸引的力。具有磁性的物体的N极与S极相互吸引，带有正电荷的物体与带有负电荷的物体相互吸引。但是，磁力和静电力的引力并不能像万有引力那样一直传到很远的地方。这是因为磁力和静电力不仅有引力，同时还有与引力相反的斥力。
在宇宙空间里，带磁性或电性的物质无所不在。尽管磁力和静电力的引力也能传到很远的地方，但是与此同时，其斥力也能传到很远的地方。因此，引力和斥力在远处将相互抵消，不能发挥力的作用。
与此不同，物体之间的万有引力并不存在所谓的“逆万有引力”或“反万有引力”等斥力。万有引力之所以能传到无限远的地方，就是因为它没有斥力，不会相互抵消的缘故。

万有引力无处不在
    研究认为，奥尔特云区域是太阳系的边缘，存在于距离太阳约7.5万亿～15万亿公里的范围内。研究还认为，奥尔特云区域内布满了由冰和岩石构成的直径小于数十公里的小天体（图解的天体密度进行了夸张处理）。假设在距离太阳15万亿公里的地方，有一个由冰构成的直径1公里的小天体，则太阳与小天体之间的万有引力大约为0.31牛。星系之间也存在万有引力，从而使得星系相互吸引靠近。因万有引力而相互吸引的星系聚集为星系团或宇宙的大尺度结构等。

女王大人

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大屁人

万有引力确实是谜。按其理论公式，只要有质量就有引力，只要质量存在引力就存在，质量不变引力不变。这个特性与其他力不同。电磁力需要能量支持。