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苹果在春天会不会比秋天下落得更快?形状、质量相同，但组成成分不同的两个物体，感受到的地球引力是否也会有所差异? 每个人都听说过牛顿和苹果的故事。话说1666年秋天，牛顿在自己母亲的庄园里看到一个苹果掉到地上，由此启发了他的一系列思考：“为什么苹果总是垂直落向地面?”“为什么它不会走偏，或者朝天上飞去，而是始终对着地心下落?”作为这些思考的成果，最后他发现了万有引力定律。 有一个问题牛顿当时没有问及：“苹果或者橘子下落的方式会不会有所不同?”或者“要是苹果在春天落地，下落方式是否会有变化?”这些问题看似画蛇添足，无事生非，但在美国物理学家阿兰·克斯特里克看来，却非常重要。 按我们现在对引力的理解，引力只跟质量和距离有关，而跟物体是苹果还是橘子无关;只要距离不变，也跟时间、季节无关。但是，到底是不是真的这样呢?克斯特里克觉得大可怀疑。他和他的学生业已证明，假如引力在这些问题上有异常表现，那也是不容易被发觉的，要是数百年来逃过了人们的观测，也不用奇怪。 不过，假如引力确实跟组成物体的成分有关，或者与季节变化有关，就算这些效应微乎其微，但对于我们理解宇宙的运作却十分重要，是忽略不得的。 20多年来，克斯特里克一直在思考这些问题。1989年，他开始考虑如何从当今物理学上的两大理论给我们描述的世界图景中寻找一个突破口。这两大理论一个是广义相对论，即爱因斯坦关于万有引力的理论;另一个是粒子物理学的标准模型，即描述所有物质和除引力之外所有作用力的量子理论。 当前，相对论和粒子物理的标准模型都是不完善的。当引力非常强的时候，譬如当描述宇宙大爆炸那一瞬间或者黑洞奇点的时候，广义相对论就崩溃了。同样，标准模型在解释宇宙中的基本粒子为何具有不同的质量时，也无能为力。此外，这两个理论本身也不兼容，比如它们对时间的理解就各执一词：在相对论里，时间和空间是密不可分的，但在量子力学里，它们却毫不相干。这种基本观念上的分歧，使得它们很难统一起来，形成一个能解释宇宙中所有现象的“万有理论”。 可是说来奇怪，尽管它们各有缺陷，但迄今却都是非常好的理论：广义相对论在描述宇观世界时，至今还没有出过错;而标准模型在微观世界，更是所向披靡。如果我们想知道将来把它们统一起来的理论会是什么样子，那么就不得不去寻找一些它们不能解释的东西。 克斯特里克就是这么去做的。作为第一步，克斯特里克对物理学上一条几乎神圣的假设提出了质疑。这个假设叫“相对性原理”。我们知道，爱因斯坦的相对论建立在两个假设基础之上，一个是光速不变，另一个就是相对性原理。相对性原理告诉我们，对于任何相对你以匀速直线运动的观察者，不论他在空间朝哪个方向运动，物理定律对于你俩都完全一样。 相对性原理的一个推论是宇宙各向同性，即宇宙中没有“上下”或者“左右”之分，这种区分仅是人为的;也没有一个特殊的方向，在那个方向上，光或者天体会运动得更快。 为什么克斯特里克要选择向这个原理开炮呢?首先，科学上所谓的原理，就是一开始就假设它是对的东西，然后以它为基础来构建理论大厦。既然相对性原理是相对论的基础，那么它自身对错是相对论无法证实的。其次，在过去许多年里，包括著名的超弦理论和圈量子理论在内的许多理论都表明，相对性原理或许并非严格成立。 当然，迄今宇宙中还没有一件事情表明相对性原理已经受到了破坏，但在克斯特里克看来，这或许只是因为至今我们没有在合适的地方去寻找，或者仅仅实验精度不够而已。 克斯特里克从广义相对论和标准模型出发，先假设宇宙中充斥着一种迄今未知的力场，这种场就像夹在两块平行板之间的匀强电场一样，有一个“优先”的方向，只不过匀强电场只局限于两块平行板之间，而这种场却充斥着整个宇宙空间。因为它有一个特殊的方向，这就破坏了相对性原理。这个理论他称之为标准模型的扩充版(简称SME)。 当把所有的粒子和基本作用力包含进来，就可以推算这些粒子和基本作用力将如何与新的力场相互作用，这样，SME就产生了一类可能观察到相对性原理受到破坏的新现象。接下去，人们就可以设计实验去检验了。 为了看看这个想法如何操作，我们不妨把这种假想的力场称之为“X场”——它也存在于我们的太阳系。X场像磁场或电场一样，可以用一系列箭头来描述。 这个X场或许对空间运动的物体有非常微弱的作用。 第一种可能是，由于它有一个特殊的方向，物体处在这个方向，其表现或许与处在别的方向上会有所不同。 第二种可能是，当地球在公转轨道上做周期性运动时，它所受的X场作用也将周期性变化。由于实际测量中，在排除了电磁力等其他作用力的影响之后，我们是把剩余的作用统统算在引力的“账”上的，所以X场作用的周期性变化，必表现为“引力”(其实是真实引力和X场作用力之和)的周期性变化。于是，地球公转时，“引力”在一年四季可能会表现出微小的周期性变化。用一个通俗的比喻就是，“苹果或许在一年四季会以不同的重力加速度下落”。 这个思路跟天文学上发现行星的一种办法相似。我们知道，许多太阳系外行星靠目前的技术手段是无法直接观测到的，因为它们太小太暗了，比之它们所在的恒星，就像好比芝麻比西瓜。一颗恒星倘若没有行星，短时间内观察，它在天空中的位置是不动的。但假如拥有行星，行星必然要和它一起绕着共同的质心转动，使得恒星也发生周期性的摆动。只要观察到恒星的周期性摆动，我们也就间接证明了行星的存在。 第三种可能是，X场以不同的方式影响不同的粒子，就像电场只对带电粒子有作用一样。举个例子，每一种类型的夸克或许都能“感觉”到X场，但程度有所不同。这样，两个物体即使质量和形状相同，仅仅组成成分不同，那么因其所含的每一种类型的夸克数量不等，物体作为整体感受到的X场作用力就将不尽相同。结果是，“苹果和橘子或许以不同的重力加速度坠落”。 当然，这些效应哪怕存在也是微乎其微的，需要设计极高精度的实验才能探测到;而且，因为X场产生效应的可能方式有很多，有些甚至是我们意想不到的，所以即便上文提及的三种可能性不存在，也不能轻易下结论说X场一定不存在。 迄今，研究者们设计了大量高精度的实验去检验在空间某个特殊的方向上时钟是否走快些，但他们并没有观察到任何异常。 另一个实验最近由一群美国物理学家开展，目的是想检验两种不同的元素——一个是钛，另一个是铍——对引力是否会有不同的反应。这类似于比较一个苹果和一个橘子下落方式是否会有所不同。他们利用极其精确的仪器来测量两个物体之间的引力。为了排除任何可能存在的干扰，他们对电磁场和附近实验室的振动进行了屏蔽，又对地下水位一年内不同季节的涨落所引起的引力变化做了修正。但最终发现，在千亿分之一的误差范围内，引力对铍和钛元素的作用并没有什么区别。 有人还建议用反物质来做这个实验，用个通俗的说法，即去看看“苹果和反物质苹果在相同的引力场中会不会以不同的重力加速度下落”。但制造大量的反物质目前超出了我们的能力之外，这类实验或许要等到下一个十年才能开展。 这类实验尽管难度极大，但因为意义重大，物理学家们依然前仆后继，乐此不疲。 |
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