为什么引力如此微弱？答案可能位于空时的本质

By Paul Sutter2022/7/30 

Science & Astronomy

对为什么引力如此微弱的解决方案可能来自采取一个更仔细观察希格斯玻色子。

地球弯曲一个空时网格的描画. (Image credit: Getty Images)

为什么引力与其他四种基本力相比如此微弱？

即便它是更强十亿倍，它会被一个100亿倍的因素仍然是最弱的力。奇怪的引力微弱性脱颖而出几乎需要一个答案。

奇怪的是，对引力的弱的解决方法可能不在于引力本身，而在于希格斯玻色子的力学和空时的非常本质。

层次结构问题

举起一张纸。恭喜你，你已经成功地抵消了整个星球的联合引力力量。

这并没有花费很多精力，因为到目前为止引力是自然界四种基本力中最弱的。通过一个测量，引力比强核力更弱10万亿倍，这是所有力中最强的。

这里是来想象引力的弱的真实尺度的另一种方法。对你能建造的最小的黑洞是有一个极限，它被称为普朗克质量。你能通过取简化的普朗克常数乘以光速除以牛顿G的平方根来计算它。这个质量大约是10^-8千克。如果引力很强------如果牛顿的G更大------那么你可以时髦更小、更轻的黑洞。

相比之下，W和Z玻色子------弱核力的力载体------比普朗克质量更轻约10万亿倍。因此，弱核力，仅次于引力的下一个最强大的力，比引力更强几万亿倍。

这个“层次结构问题”对大多数物理学家来说似乎奇特的。当然，它可能只是宇宙是的样子，不需要解释，但这并不很令人满意。相反，这似乎是一个更深入地挖掘基本力物理学的机会，看看是否有我们能学到任何新东西。

希格斯正在发生什么？

让我们撇开电磁学和强核力，只将引力与它的“最接近”的竞争对手弱核力比较。也许如果我们能回答为什么弱核力比引力如此印象深刻的更强，我们就能理解整个图片。

我们没有为什么引力有它有的力的想法。在任何物理学理论中都没有出现来解释它的力的任何东西。但是有一些东西似乎来解释弱核力属性的，那就是希格斯玻色子。

希格斯玻色子是浸泡所有空时的场并迫使许多其他粒子如电子与它相互作用。这种相互作用造成这些电子获得一个质量。与希格斯粒子相互作用的某些东西越多，它有的质量就越大。

在与希格斯玻色子相互作用的许多粒子中有W和Z玻色子，正是通过这种相互作用它们获得质量。正是这些W和Z玻色子的质量设定弱核力的属性，因为正是那些非常粒子正在做这个工作。

是什么设定所有与希格斯粒子相互作用的粒子的质量？为什么不是希格斯粒子本身的质量。如果它有一个有不同的质量，那么所有其他粒子包括W和Z玻色子都会变化。

2012年欧洲核子研究中心CMS探测器事件的视觉表示显示一个希格斯玻色子衰变成一对光子的特征。(dashed yellow lines and green towers).  (Image credit: CERN)

现在是指出希格斯粒子的质量是极端奇怪的好时机。它大的------大约250吉电子伏特（GeV），这随着粒子走是大的------但不是宏大的。它也不微小的。事实上，一个希格斯怎样工作的天真量子力学理解预测它恒定的参与的所有相互作用------这很多------会要么完美地彼此抵消，将它的质量归零，要么彼此加强，吹胀它的质量到接近无限大。

有些东西正在造成希格斯玻色子被精确微调到一个“可接受的”保持一切理智的范围内。但那个希格斯玻色子限制W和Z玻色子在它们的微小值上，这样允许弱核力比引力远更强得多。

换句话说，引力是宇宙中最弱的力，不是因为引力有某些东西错，而是因为弱力正在“欺骗的”。

对空时的一点点调整

希格斯质量的非自然状态没有可接受的解决方案，因此也没有可接受的对层次问题和引力的诡异弱的解决方案。

但所有这些讨论都假设我们正确地计算了一切------希格斯的质量、普朗克质量等等。也许我们正在确实某些关于宇宙的基本的东西。

在众多潜在的解决方案中，一些想法质疑我们的空时织造的非常理解。弦理论已经为这些想法铺好了泵，需要新的、紧凑的空间维度来存在以让该理论的数学正确的出来。

弦理论的概念艺术插图  (Image credit: Getty Images)

但在弦理论中，这些额外的维度是超级小的、蜷缩成紧致的不大于普朗克长度的小形状。

不过，其中一些额外的维度可能更大一些是可能的。这些理论通常被称为“大的额外维度”，但这些额外的维度并不像你想的那么大------只有一毫米左右。

在这些理论中，其他三种自然力被限制到我们正常的三维宇宙，这有时被称为一个“膜”。然而，引力通过所有叫“体积”的 维度来扩展它的范围。在这种观点中，引力刚好同样强的------ 如果不是更强的话！------比其他力，但它被迫在比其它任何人都都多的维度上散布它自己出去。因此，对我们的三维实验它只是似乎更弱。

我们已经将引力测试到了令人难以置信的精度水平，但不一定在如此小的尺度上。如果我们的宇宙有额外的“大”空间维度，那么我们将开始看到时髦的东西发生在不到一毫米的距离上。

例如，我们可能会看到在小距离上引力比预期的更强作用着，因为它没有一个“漏出去”到额外的维度的机会。或者我们可能会开始在我们的粒子对撞机中时尚微小的黑洞，因为在那些微小的尺度上，建造一个黑洞会比我们想的要容易。

到目前为止，迄今为止还没有实验发现任何额外维度的证据。引力仍然令人沮丧的弱。

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附加资源

有关引力的更多信息，请查看 "The Ascent of Gravity: The Quest to Understand the Force that Explains Everything"by Marcus Chown and "Reality Is Not What It Seems: The Journey to Quantum Gravity" by Carlo Rovelli. 

书目

Kapil Chandra, "Why Gravity a Weak Force of Nature)", Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Volume 6, July 2020.

Daniel Harlow, et al, "The Weak Gravity Conjecture: A Review", High Energy Physics – Theory, January 2022. 

Shahar Hod, "A proof of the weak gravity conjecture", International Journal of Modern Physics D, Volume 26, June 2017. 

Cern, "The Higgs Boson", accessed June 2022. 

Cern, "The Z boson", accessed June 2022. 

Cern, "W boson: Sunshine and stardust", accessed June 2022. 

National Space Society, "What is Gravity", accessed June 2022.