地球在一年的不同時間處於力場的不同點上

　　國外科學家嘗試破解牛頓當年沒有提出的問題——

　　大家都聽說過牛頓和蘋果的故事。1666年的秋季，牛頓看見一個蘋果墜落到地面上，不禁思緒萬千，促使他提出一連串的問題：「那個蘋果為什麼總是垂直下墜？為什麼不會向旁邊飄落或者朝上升騰，而是始終對著地球的中心呢？」

　　牛頓當時沒有提出來的一個問題是：蘋果或橘子是否是以不同方式墜落的？或者說，在春季的時候，蘋果是否落下的速度更快？這些問題也許只會引起少數人的關注，但美國印第安納大學的物理學家艾倫·科斯特萊茨基卻認為它們是重要的。他和他的研究生傑伊·塔松發現：諸如此類公然違背我們最佳引力理論的現象，可能已輕易地迴避了長達數世紀的探究。

　　挑戰物理學經典假設

　　從目前來看，相對論和標準模型都是不夠完善的。科學家為此假設：宇宙中充滿著迄今未知的力場，這些力場會將「優先選取」的方向強加給空間，從而使洛倫茲對稱遭到破壞。結果，便形成了一種被科斯特萊茨基稱為標準模型擴展(SME)的理論。

　　美國印第安納大學的物理學家艾倫·科斯特萊茨基和他的研究生傑伊·塔松最近在《物理評論快報》上發表了一篇論文。「我們已經有了一項令人震驚和欣慰的發現。」科斯特萊茨基說，「我們差一點可以瞥見支撐我們宇宙的終極理論。探究這些看似未必會發生的可能性，有助於我們理解是什麼在維繫著宇宙的運行。」

　　這是科斯特萊茨基潛心研究20年的成果。1989年，他開始思索我們對宇宙運行的最佳理解究竟出了什麼「故障」；這種理解是由兩種偉大理論所提供的。第一種便是廣義相對論，也就是愛因斯坦闡釋引力如何運行的理論。另一種則是粒子物理學的標準模型，亦即從量子角度來描述我們周圍的物質和引力以外的所有力。

　　從目前來看，相對論和標準模型都是不夠完善的。遇到引力異常強大的場合，例如在描述宇宙大爆炸或黑洞中心的時候，廣義相對論就會失靈。而標準模型為了解釋宇宙基本粒子的質量，又不得不極盡牽強附會之能事。此外，這兩種理論還是互不兼容的，對於時間等概念持有截然不同的看法。這就使兩者根本不可能融合為單一的「萬物至理」。

　　問題在於：相對論和標準模型儘管各有各的缺陷，卻都是非常出色的理論。若分開來看，它們都完美無瑕地描述了科學界已知的幾乎所有的物理現象。如果我們想要知道將它們融為一體的理論是什麼樣子的，那麼就得尋找它們無法解釋的事物。「挑戰在於尋找那些現象，」科斯特萊茨基說。這正是他和塔松認為他們現在也許能夠做的事情。

　　作為第一步，他們向物理學中近乎神聖的、以洛倫茲對稱而聞名的假設前提發起了攻訐。按照這一前提，物理學定律對於任何以相對於你統一速度運動的人來說似乎是相同的，不管這些人在空間中的定向如何。

　　洛倫茲對稱所帶來的一個後果，是宇宙應該具備各向同性：不管你朝什麼方向觀視或行進，世間萬物看上去差不多是相同的，而且是以同樣方式起作用的。無所謂「上」或「下」，也不存在能讓光、人類或行星更易於行進的方向。

　　到目前為止，宇宙中還沒有什麼事物被證明是違背洛倫茲對稱的。但那並不意味著洛倫茲對稱是不可侵犯的。它恰恰意味著我們迄今為止的著眼點是錯誤的，或者說探尋對稱侵犯的實驗缺乏足夠的靈敏度。

　　科斯特萊茨基和塔松並不是隨便在找洛倫茲對稱的茬兒。各種旨在建立萬物至理的嘗試都表明它可能會失效。其中最負盛名的，是所謂超弦理論和圈量子引力的處理方法。

　　然而，科斯特萊茨基並沒有寄希望於特定的萬物至理。相反，他採取了一種不預設答案、隨時容許修正的態度，希望藉此讓我們瞭解到哪裡去尋找洛倫茲對稱遭破壞的現象，對未來的理論有所啟迪。

　　他和他的同事運用廣義相對論和標準模型作為起點，然後提出了種種破壞對稱的方式。他們為此假設：宇宙中充滿著迄今未知的力場，這些力場會將「優先選取」的方向強加給空間，從而使對稱遭到破壞。結果，便形成了一種被科斯特萊茨基稱為標準模型擴展(SME)的理論。

　　SME理論將所有已知的力和粒子納入考察範圍，同時還兼顧到它們如何與新力場發生的相互作用，由此揭示了各種各樣迄今被置若罔聞，實則有望為觀察洛倫茲對稱侵犯提供機遇的現象。「當前，實驗人員正在按名單所列進行探索。」科斯特萊茨基說。

　　到目前為止，他們都以失敗而告終。研究人員考察的內容包括：時鐘在空間的某個定向是否走得更快一些，或者因材料內部的電子自轉而形成的磁場是否會隨著電子自轉軸的定向而發生變化。到目前為止，他們什麼也沒有發現。

　　感受「X場」的微妙影響

　　宇宙中迄今未知的X場與引力之間的相互作用，可能是值得科學家去開掘的豐富礦藏。根據最新的計算結果，這些相互作用產生的對稱侵犯可能比研究人員迄今力圖發現的大1030倍。所以，「蘋果在不同季節可能是按不同速率墜落的，這將是一種週期性的效應。」

　　然而，這並不意味著我們可以想當然地認為SME中的力場是不存在的。有些力場對光子可能是無形的，而對中子等其他粒子則是可見的。或者說，也許有一個力場會同引力發生強烈的相互作用，而與電磁學無關。

　　為了弄清這個理念是如何發揮效用的，不妨想像一下科斯特萊茨基所說的貫穿於太陽系的SME場之一——姑且稱之為「X場」。與磁場或電場一樣，X場也具有可以用一系列箭頭來勾勒的定向。當中子或光子等粒子穿越它的時候，會發生什麼情況呢？

　　首先，這個力場會給粒子自轉帶來微妙莫測的影響，或是在其軌跡中形成一個小小的相移。或者說，也有可能是不同類型的粒子對力場作出了不同的反應。

　　我們從來不曾覺察任何這樣的效應，所以從來也沒有檢測到任何這樣的力場。但科斯特萊茨基和塔松指出，我們的看法可能是不大對勁的。如果X場和太陽的引力彼此影響的話，那麼，很可能存在著我們不曾留意的效應。

　　X場與引力之間的這種相互作用，可能是值得科學家去開掘的豐富礦藏。科斯特萊茨基和塔松最新的計算結果表明：這些相互作用產生的對稱侵犯可能比研究人員迄今力圖發現的大1030倍。

　　然而，這不會使對稱侵犯現象變得易於檢測：與其他的基本力相比，引力之微弱是令人驚歎的，所以X場引起的變異依然是極難測量的。

　　我們可望獲取X場佐證的一個途徑，就是尋找引力強度在一年不同時節的微弱差異。「蘋果在不同季節可能是按不同速率墜落的，」雖然科斯特萊茨基無法預測蘋果何時會降落得更快些，但他聲稱「這將是一種週期性的效應。」

　　這是因為太陽的引力可能使X場發生輕微的扭曲。根據科斯特萊茨基的計算結果，引力會造成X場的箭頭朝太陽傾斜，其程度取決於引力場在那個方位的強度。由於X場在空間中不同方位的這種差異，粒子的特性會隨著地球環繞太陽巡行而發生變化。至於它如何發生變化的過程，設計得當的實驗恐怕還是有可能檢測到的。

　　科斯特萊茨基和塔松提出了另外一種可能性，那就是X場以不同方式對不同粒子的影響。比如說，每種夸克會程度不同地「感受」到X場的存在。或者說，一個原子中的電子數目也許將決定那個原子如何與場，進而與引力形成耦合。甚至還有這樣的可能性：原子的組合粒子及其在空間中的位置等各種因素的綜合，將會塑造不同物體如何與X場和引力耦合的更完美細節，進而形成意想不到的效應。「蘋果和橙子可能是按不同速率墜落的。」科斯特萊茨基說。

　　值得期待的實驗結果

　　儘管這個話題聽起來很爆冷門，迄今為止的實驗結果也遠遠未能印證科學家的預測，但相對論和量子理論的結合問題是如此重大，我們無法不對心存疑竇的任何原理進行一番測試。

　　不過，克勞利西澳大學的物理學家邁克·托巴爾認為，科斯特萊茨基和塔松的論文聽起來好像很爆冷門，其實卻提出了一種令人振奮的新見解。「這是迄今為止取得的一個重要進展。」他說。哈佛大學的羅納德·沃爾沃思也有同感：「我期待著若干實驗小組現在就著手搜尋科斯特萊茨基所假設的效應。」

　　那麼，他們將會從何入手呢？由於這些效應是通過粒子對引力的反應方式作為異常現象而表露出來的，因此科斯特萊茨基和塔松建議對牛頓修正版的萬有引力定律進行一番測試。目的是看一看它在不同的時間和不同的地點，被應用於光子、中子和電子等粒子程度各異的組合時是否會固守不變。迄今為止已經探測的，只是這個新的可能效應範圍中極小的一部分。

　　由西雅圖華盛頓大學的埃立克·阿代爾伯格所作的此類探究，目的是要調查鈹和鈦對引力反應方式的差異。「阿代爾伯格的實驗，就好像是在對同時墜落的蘋果和橙子加以比較。」科斯特萊茨基解釋說。

　　沒有人對此心存任何幻想。如果說對這些不同元素的引力存在差異的話，那也是微乎其微的。這也是何以有華盛頓大學研究人員參與其間的原因：擅長運用極度靈敏的扭力平衡，以便為探索此類情景而測定兩種質量之間的引力。

　　為了進行實驗起見，他們還得保護自身平衡不受電磁場和源自附近實驗室的震動的影響，同時補償地下水位在一年的不同時節上升和下降時發生變化的引力。

　　然而他們最終還是發現：至少鈹和鈦同引力的耦合沒有什麼兩樣——差異僅為1000億分之一。

　　科斯特萊茨基並沒有氣餒。阿代爾伯格的實驗所測試的，只是假設場與引力之間的一種相互作用。科斯特萊茨基相信，在一年的不同時節所進行的實驗會揭示耦合的另一個側面。隨著季節更替，地球速度和X場箭頭的相對定向都會發生大幅度的變化。

　　如果這一點做不到的話，還會有其他途徑可供選擇，包括揭示宇宙對稱的反物質範疇。「蘋果和反蘋果可能是按不同速率墜落的。」科斯特萊茨基說。這個理念甚至要更加難以探明：例如積累足夠的反物質以形成相當於蘋果質量的物體，那不是我們當前的技術水平所能勝任的。雖然反氫彈已被研製出來，但目前正在設法確認它們是否是按不同於氫原子的方式墜落的。「在未來十年內，我們可能會有結果的。」科斯特萊茨基聲稱。

　　科斯特萊茨基正在規劃其他可望揭示SME所假設的力場的實驗，其中涉及超導體引力傳感器、探測到月球距離的激光器、原子干涉儀以及未來基於衛星的引力實驗；所有這一切會有助於發現惱人的對稱是在哪裡銷聲匿跡，躲躲閃閃的宇宙終極理論又是在哪裡嶄露頭角的。

　　不錯，那就是未來的希望所在。雖然沃爾沃思同意此類實驗是重要的，但他還是無法確信它們將會揭示任何對稱侵犯的現象。「無論從哪方面來看，都不能肯定它是存在的，或者說我們人類真的會有能力去發現它們。」他說。

　　阿代爾伯格相信，相對論和量子理論的結合問題是如此重大，我們無法不對心存疑竇的任何原理進行一番測試。「看來非常可能的是，我們正在喪失物理學中某種無與倫比的東西。」阿代爾伯格說，「我會為洛倫茲破壞效應的大規模存在而感到震驚，但它肯定是值得驗證的，以便看一看大自然是否尊重我的偏見。」

　　假設存在「X場」力

　　宇宙中可能包含著一種尚未被發現、有X場之稱的力。如果它受到太陽引力的影響，那麼其定向就會在空間的每個點上發生變異。這種變異可能是我們發現此類力場的最佳希望。

　　通過靈敏度很高的實驗可以揭示力場的影響，例如物體在引力下墜落的速率，它在一年的不同時間會形成不同的結果。

　　引力之謎

　　引力，是我們大家都知曉，而且自認為理解了的力。然而，它卻是自然界四種基本力中留下謎團最多、最令人困惑的力——

　　引力到底是什麼？

　　要是你縱身向上跳躍，地心引力就會把你拉回到地面。要是你爬上一座山的懸崖邊緣，引力就會加快你從另一側下山的速度。這一切表明：作為一種影響和改變其他事物之運動的力，引力是按牛頓認定的方式行事的。

　　至少，在愛因斯坦出現以前，事情看來好像就是如此。他的廣義相對論告訴我們：引力實際上並不是那麼簡單。廣義相對論提供了一個框架；在此框架內，不管人們如何運動，物理學規律似乎時時刻刻對每個人都是相同的。廣義相對論將引力描述成幾何圖形。

　　宇宙的結構——四維時空，充滿著因質量和能量存在而形成的團塊。這就不可避免地會造成時空的扭曲變形；任何事物——不管是你、我，還是一片太空塵埃抑或一個光子——無論何時試圖以直線的形式穿越宇宙，實際上都會遵循一條被附近的任何質量和能量所彎曲的軌跡。這種彎曲的結果，就是我們心目中認定的引力。稍微換個視角來觀察，引力並不是一個物體直接作用於另一個物體的結果，而是一個物體的質量作用於週遭宇宙的產物。

　　然而，像牛頓那樣把引力當作某種直接的作用力來處理一向對我們是十分有用的。它使我們能以驚人的準確性將火箭送上月球並測繪行星的軌道。在涉及到高速和加速度的場合，愛因斯坦的描述同樣能經得起嚴密的檢驗。但牛頓模型也好，相對論也罷，雖然各有效用，其實並不是對引力的一種基本解釋。我們依然不知道：質量、能量和時空的基本量子屬性是如何經過組合而形成這一現象的。

　　為什麼引力只把物體往下拉？

　　自然界的其他力都有對立面。拿電磁力來說，它可以相互吸引，也可以相互排斥，視有關物體的負荷而定。那麼，是什麼原因使引力變得與眾不同的呢？

　　答案似乎與量子場論有關。傳送強核力、弱核力和電磁力的粒子具有不同類型的負荷，例如電荷或色荷等。「這些負荷可以是正的，也可以是負的，」麻省理工學院的弗蘭克·維爾切克說，「這就為作用力的符號提供了形形色色的可能性。」作為一種假設的粒子，引力子理應像量子場論所宣稱的那樣傳遞引力，但實際情況並非如此。「引力子對能量密度作出反應，而這種密度永遠是正的」。

　　引力與其他基本力之間的明顯差異對物理學家提出了一個難題，那就是創建「萬有理論」，為所有這些現象提供獨一無二的解釋。目前多數理論家都預料，導向這一理論的最佳途徑，是通過自然界中一種有超對稱性之稱的隱對稱；據它提示，每種粒子都有一個沉重得多的孿生粒子在等待發現。

　　引力為什麼如此微弱？

　　跳離地面幾英吋簡直不需要費什麼勁，你有沒有想過這是一件多麼了不起的事？你那微不足道的肌肉，充其量只有幾公斤重，居然能克服質量為6×1024公斤的地心吸力。由此可見，引力實在是太微弱了，要比夾持原子於一體的電磁力弱小1040倍。

　　其他基本力作用於不同的範圍，即使在類型截然不同的粒子之間也是如此，但彼此似乎都具有大體上可以比肩的強度。然而，這一點對引力卻並不適用。為什麼會是這樣的呢？

　　到目前為止，我們的最好解釋源於超弦理論，亦即最有希望發展成為「萬有理論」的候選學說。超弦理論認為，我們在宇宙中所能體驗的空間維度超過3個，很可能多達10個。根據超弦理論家的最佳構想，引力之所以如此微弱，是因為與其他基本力不同，它還能滲入和滲出這些額外的維度。因此，我們得以體驗的，只是引力零星點滴的真實強度。

　　瑞士日內瓦附近由歐洲核子研究中心(CERN)研製的大型強子對撞機(LHC)，可望解開引力何以如此微弱的謎團。雖然提供完整答案的可能性不大，但如果大型強子對撞機發現了卡魯扎-克萊因理論所預測的粒子的存在證據，那麼，引力棲息於額外隱匿維度的問題就會得到清晰梳理。

　　早在上世紀30年代，這些課題就由嘗試將電磁學和引力融為一體的理論家提了出來。當人們熟知的粒子溜進一個額外維度時，所謂卡魯扎-克萊因狀態的粒子也就應運而生了。它們格格作響在那裡兜著圈子，發出了一陣洩露其重粒子真面目的「回聲」。

　　我們能夠抗拒引力嗎？

　　儘管構建引力屏蔽的觀念歷史悠久，但至今仍無人設法將其付諸實施。

　　在這方面作出最著名嘗試的，當推俄羅斯科學家葉甫蓋尼·波德克萊諾夫。他在1992年發表了一篇論文，聲稱在陶瓷超導體製成的一個旋轉盤近旁，檢測到重量減輕2%的現象。2003年，奧地利研究中心的研究人員馬丁·塔伊瑪提出了類似的主張，並在歐洲航天局的資助下進一步開展研究。3年後，塔伊瑪和歐洲航天局宣佈：他們已在旋轉超導體上測得一種效應，經過進一步發展即可用來影響引力。其他人也作過這方面的努力，卻未能把這種效應複製出來。

　　密蘇里大學的物理學家巴赫拉姆·馬什胡恩認為，不該嘲笑那些繼續在這個領域從事研究的人們。也許，它恰恰會變成我們得以實現星際航行的惟一途徑。有些研究人員提出，一旦超越某個臨界速度，相對論就會產生相互排斥的引力效應；這些效應不僅可以用作星際航行的推動力，而且也起著引力屏蔽的作用。按照目前的技術水平，我們幾乎要花100萬年左右的時間才能抵達最鄰近的恆星，這就難怪會有人潛心鑽研這些問題。