互动科普

物理学的终极愿望统一自然界中的4种基本力

为什么物理学家如此锲而不舍地坚持“高维空间”这一超乎常识的研究呢？日本东京大学的浅井祥仁教授长期致力于基本粒子的研究，他介绍说：“这是因为在高维空间里有可能实现力的统一。”

浅井教授认为“物理学的历史就是统一的历史”。可以说，物理学上的“统一”就是发现隐藏在一直被看成完全不同的物质和现象背后的共同法则（基本定律）。

例如，英国著名科学家艾萨克·牛顿（1642～1727）发现了万有引力定律，把天体运动的规律与物体下落运动的规律统一了起来。另外一个例子是，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦（1831～1879）成功地将电力与磁力统一为电磁力。

自然界中的力可以归结为4种基本力

经过多年的探索，科学家发现自然界中共有4种基本力：引力（万有引力）、电磁力、强力、弱力（详细情况请参考图片和说明文字）。强力和弱力的作用范围非常小，只能在小于原子核的范围内发生作用，所以我们平时只能感觉到引力和电磁力这两种力。

现代物理学理论认为，4种力都是通过交换基本粒子而传递的。基本粒子是指人类所知道的构成物质的最小最基本的单位，可以组成各种物体或者传递各种力。

例如，光子（一种基本粒子）可以传递电磁力。众所周知，两块磁铁会相互吸引或者排斥，这是因为其中一块磁铁所释放的光子到达了另一块磁铁的缘故。因此，科学家认为电磁力源自光子的交换。

4种力的统一之路引力是最大的难题

长期以来，物理学家们一直在煞费苦心地寻找把自然界中的4种基本力统一起来的途径。美国物理学家谢尔登•格拉肖（Sheldon Glashow，1932～）、史蒂芬•温伯格（Steven Weinberg，1933～）以及巴基斯坦物理学家阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam，1926～1996）等人经过多年探索，在20世纪60年代提出电弱统一理论，成功地把电磁力和弱力统一了起来，即电磁力与弱力实际上是同一种力——电弱力的不同表现。

后来，科学家们进一步提出了各种大统一理论，力图将强力、弱力、电磁力3种力统一起来。不过，目前这些大统一理论都未被证实，依然处于验证阶段。

假设强力、弱力、电磁力3种力能够统一的话，那么，剩下的就只有引力了。不过，将引力与其他3种力统一起来的征程障碍重重，异常艰辛，还需要很长的时间去进一步完善理论。为什么引力的统一之路如此艰难呢？浅井教授认为“这是因为与其他3种基本力相比，引力极其微弱的缘故”。

引力仅仅是电磁力的10⁴²之1

人类生活在地球上，每时每刻都受到地球巨大引力的束缚。就算有人说，实际上引力非常微弱，听到这句话后我们大概会感觉莫名其妙，不知所云吧。我们感觉地球的引力很大，是因为引力源——地球的质量非常庞大的缘故（大约6×10²⁴千克）。

如果在原子或电子等微观世界里，对力的大小进行比较的话，我们就很容易理解为何引力是极其微弱的了。例如，当两个电子相互靠近时，它们之间会产生两种力，即相互吸引的引力和相互排斥的电磁力。比较一下这两个力的大小，我们就会大吃一惊：引力只有电磁力的1000000000000000000000000000000000000000000（=10⁴²）分之1。

图1. 与电磁力相比，引力极其微弱

图片描绘了当两个电子相互靠近时，因产生相互排斥的作用力而远离的情形。由于电子带有负电荷（约1.6×10^-19库仑），因此，当两个电子相互靠近时，在电磁力的作用下相互排斥。另外，尽管电子很小，但是却有质量（大约9.1×10^-31千克），在引力的作用下相互吸引。比较一下两个电子靠近时所产生的电磁力与引力的大小，我们就会发现，电磁力是引力的大约10⁴²倍。质子的质量大于电子，约为1.7×10^-27千克。当两个质子相互靠近时，所产生的电磁力大约是引力的10³⁶倍。因此，在微观世界里，引力小到几乎可以忽略不计。

要想把强度大小相差悬殊、作用范围大相径庭的4种力统一起来，首先必须解释清楚“原本是同一种力，为什么看上去却是完全不同的力”。也就是说，要想将引力与其他3种力统一起来，必须解释清楚“引力原本与其他3种力的强度大小相同，可是为什么只有引力看上去如此微弱，如此不堪抗衡”。

实际上，并没有证据显示，引力与其他3种力原本都是同一种力。不过，浅井教授对此非常乐观：“从迄今为止的统一历史来看，我相信物理学家们能够把这4种力统一起来。”要想解释清楚为什么只有引力才如此不可思议地微弱，就必须请出本文的“主角”——高维空间。

假设存在超4维的高维空间，我们的世界将会发生怎样的变化？浅井教授介绍说：“如果存在高维空间的话，引力会扩散到4维以上的其他方向，所以，在我们所处的3维空间里，引力看上去非常微弱。”

在宇宙中，如果除了3维空间之外还“隐藏”着我们无法感知的维度，引力也向那个方向传递的话，那么，引力将扩散到4维以上的空间里而变得非常微弱。也就是说，只有一部分引力传递到了我们能够感知的3维空间里，所以，引力才看上去如此微弱。

图2. 扩散到高维空间的引力

引力子是传递引力的基本粒子，不仅分布在我们所处的3维空间里，甚至扩散到了高维空间。图片描绘了引力子的分布情形。我们生活的3维空间恰似一层膜，膜的外侧是高维空间，这一概念是关于高维空间的观点之一。高维空间存在与否以及图片所示的概念正确与否都尚未得到验证。

卡鲁扎和克莱因在20世纪20年代提出了高维空间的观点，力图在4维空间（加上1维的时间，则为5维时空）里将引力与电磁力统一起来，但是结果没有成功。

不过，高维空间这一想法却得以幸存下来，并于80年代在其他理论中重新“复活”，这就是超弦理论。

超弦理论是由英国物理学家迈克尔·格林（Michael Green，1946～）和美国物理学家约翰·施瓦茨（John Schwarz，1941～）于1984年提出的。超弦理论认为，自然界的最小单位——基本粒子是极其微小的振动的“弦”，并且预言存在着10维时空。

超弦理论虽然预言了10维时空的存在，但是，理论本身尚待进一步完善，正确与否也未得到实验验证。不过，超弦理论被认为是很有可能统一4种力的终极理论而备受关注。

20世纪90年代，一些物理学家提出了有别于超弦理论的其他理论，试图借助于高维空间来解释引力为何如此微弱。于是，高维空间这一貌似荒谬的想法受到众多物理学家的青睐，开始在物理学研究的最前沿得到深入研究。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）