强烈反对高票匿名用户的答案。不是因为你认识不足,主要是因为你被这么多人赞了,这该是误导了多少人啊。
最高票的 @姬明泰同学回答得算是比较专业,我没有仔细看,看得出是科班出身,但是感觉没答到点子上,铺得有点开。题主显然是对课本上的引力解释不放心才问的问题,而并不是因为从哪里听说了量子理论才质疑引力的,所以根本扯不上量子引力。
首先我们要理解题主的意思。当我们对一个理论作出怀疑时,通常有三类动机:
- 这个理论不符合某个实验,或者不自洽(不符合思想实验);
- 这个理论和另一个理论有冲突;
- 对这个理论的形式本身不满意。
第一种的例子很多,不符合实验的就不举了,不自洽的比如说亚里士多德的落体理论(重物更快);第二种的例子就是大家提到的量子和广相不相容;第三种的例子是当年爱因斯坦提出广相(后面会细说)。
那么题主是哪一种呢?我判断是第三种,因为题主是“觉得课本上说得很牵强”,说明它在意的是课本上介绍的引力理论自身的问题,而且不可能是自洽性的问题,只能是形式上不清楚,不够有说服力。所以我不会从量子引力的角度来说,因为那是答非所问。
有很多答案说这个问题学界没有确定的回答。这种答案一般分两种情况,一种是像高票匿名用户那样的,肚子里没多少货,自己搞不清楚,就说科学界也没搞清楚(TA的回答有两个严重问题,一是认为爱因斯坦引力理论和牛顿引力是“等价”的,二是认为弦理论甚至引力子是“不可证伪”的,不服来辩);还有一种情况就是懂得比较多的专业人士,他们的重点在于一个结合量子力学的引力理论还未完成,但是正如上面我的观点,这么答是有点答非所问的。
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以下是我的答案:
首先澄清几个问题:
1、对一个科学理论不要过分吹毛求疵,所有理论都是有适用范围的。对于引力理论,牛顿引力在低速弱场近似下足够好了;爱因斯坦引力理论在几乎所有情况下都足够好了,还不适用的地方只有这几处:
a)黑洞,
b)极高能量物理过程(这样的过程不管是自然还是人工都还达不到,只能说是理论上的挑战),
c)极早期宇宙。
2、当你问一个科学概念的起源的时候,你追求的一般是一个美学结论。任何科学理论都有假设,科学理论不可能无中生有。一个好的理论,可以让你从任何复杂现象开始追根溯源到几个简单的假设,只有当你对假设的美学不认同的话,你才可以继续问为什么,否则就是耍流氓。
什么叫基本假设的“美学”呢?举几个例子:
- 托勒密的本轮均轮。托勒密的理论对于初期观测数据是有比较良好的解释力的,但是随着观测数据的增多,他开始修改自己的理论,加了很多无中生有的东西,叫“本轮”“均轮”(我没研究过,只知道这些历史事实)。最后被日心说推翻时,日心说对数据的符合程度并没有非常理想,但是由于假设极少,还是战胜了设定繁杂的地心说。直到开普勒的天体物理三定律和牛顿的万有引力理论,观测数据才能被极好的拟合。这个例子说明,一个好的理论参数不能太多。
- 标准模型希格斯粒子质量的“精细调节”。具体的就不详述了,这个比较专业。概括起来,就是理论里需要有两个相互独立的参数,它们必须相差亿万分之一,才能解释观察到的现象(希格斯质量的值)。这就是提出“超对称”的一个重要动机。这个例子说明,一个好的理论的独立参数之间的关系不能太有“人为”的痕迹。
- 相对论大师的参考系。相对论大师爱因斯坦,在提出狭义相对论的时候有一个抉择,那就是从以下三个东西中舍弃一个:相对性原理,光速不变,时空性质。当时的状况是,光速不变已经被证实,而时空不变几乎是先验的、不可动摇的。结果爱因斯坦力保相对性原理,把很直观的但是并没有严格验证过的时空性质给修改了,这才得到狭义相对论的时空观。这一步走得有一半是被逼的,因为当时的实验亟待一个解决方案。老爱成功了一次后,爱上了相对性原理,对它进一步拓展,得到广义相对论。值得注意的是,这一步是迄今为止极少有的(我能想起来的就这一例)人类没有理论或实验上的动机、纯从美学出发而得到的一个正确理论。这个例子说明,大师级的审美能力是怎样影响理论研究的。
好,回到题主的问题:引力是如何产生的?
回答一:
不满意?为什么?这样一个简单的公式就可以解释那么多引力现象了。你问引力从哪来,talk is cheap, let me show you the code。这个公式告诉你引力是怎么实现的,为什么不够?
什么时候你可以对它不满意了呢?当你的审美能力达到了一定的程度,已经觉得这个公式满足不了你了的时候。比如,你可以具体地问:为什么引力和距离的平方成反比,而不是一次方或三次方?这和静电力是一样的,有什么联系?为什么引力总是吸引,不像静电力一样有排斥?你只有问了这些问题,我们才可以继续。
回答二:
经过长时间的学习,你终于弄懂了这个公式的意思。除了一个无关紧要的常数以外,这个公式比万有引力简单了一些,左边是一个几何张量,右边是一个物理张量,这个公式读作“物质弯曲时空”。你别问怎么弯曲的,不知道回去学去。
这个理论里,受引力影响的运动是“自由”的,不需要解释,就像“物体不受力的情况下沿直线匀速运动”一样简单;这个公式告诉你引力是怎样通过物质产生的,右边是能够完整描述物质能量状态的张量,有“守恒”的性质,左边是一个由几何恒等式决定的也有“守恒”性质的几何量,从某种程度上来说,也是很简单的,并没有很多假设。
什么?还不满意?你觉得这些张量构造起来太复杂?我可以说这是你姿势水平不够的原因。你觉得右边的能动张量出现得很突兀,为什么一定是它产生时空弯曲?额,嘛,这倒是值得继续细说。
回答三:
用作用量阐述物理理论的方法,不懂的回去学去。右边是一个体积分,测度就是体积形式,被积分的是几何上能够构造出的最低阶的标量场。也就是说,在允许时空弯曲的前提下,不放进任何物质的理论里,这是最最简单的一个。这总够了吧,这从数学的角度都已经算是很完美了。当你问引力是怎样产生的,我把一个足够符合实验,并且如此美的一个理论甩你脸上,你还有脸继续问为什么嘛?没有。
什么什么?还不服?为什么不能有高阶的几何标量场?我可以说因为那样就不纯粹不美了吗?当然,也有人做这样的模型的,一种是从几何的角度,找符合美学又不影响实验结果的高阶项,比如Gauss-Bonnet gravity;一种是弦论的低能有效理论,就是各种SUGRA。但是都没被实验验证呢。何况仅从低能有效理论的角度来说,它们都没有老爱的理论简单美丽。
最后,我猜题主并不是在理解了以上三个理论之一后觉得它不够好(如果是,那么上面的就是答案),而是根本没有理解某一个理论。如果是那样,你不要指望有人在知乎上给你完整推导一遍。你有什么具体的问题就具体地说。你得具体说明你对以上哪个理论有意见,然后说出你的意见来。
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好了,最后,为了满足一些鸡蛋里挑骨头的读者,讲讲广相和量子的兼容性问题。是的,不兼容,而且由于物理理论一般是向上兼容的,所以我们要修改的是引力理论。但是,我们问这个问题的出发点并不是已有的经典引力理论如何不够好(参看上面几个回答后的斜体问题),而是它在实际操作层面上与另一个理论冲突。也就是说,这个修改并不是问题“引力怎样产生的”或“引力为什么是这样的”的答案。
不过作为题外话,我还是想澄清一些大家关于量子引力理论的误解。
首先,这种理论,无论是弦论还是圈量子引力,都不是“不可证伪”的。就算以目前的理论程度,暂时没有实验可以验证哪怕一点它们的推论,它们也是可证伪的,这些概念是不依赖于实验技术水平的。
其次,这样的理论并不是拍脑袋想出来的,虽然它们没有实验的佐证,但是它们有更强大的东西使得人们相信它,那就是理论的自洽性。我们说,当两个成熟的理论产生矛盾的时候,首先肯定它们都是(近似)正确的,这对于一个统一的理论来说有着非常大的限制,即这个统一理论在两种极限下确实可以得到这两个成熟的理论。在寻找这样的统一理论的过程中,我们要不断地debug,因为很多理论会有自身逻辑上的矛盾性,必须要避免。这样一来,可供选择的理论本来就不多了。而弦论是迄今为止比较成功的一个,这相当不容易。
最后,也是大家误解最多的,并不是发现了什么极端现象,由于没考虑量子效应经典引力理论解释不了,而单单是理论上它们不相容。也就是说,目前并没有发现什么引力现象无法用现有引力理论解释。所以说,就“引力现象”而言,物理学已经给出了足够完美的解释了,解释不了的那些都没发现。这难道还不够吗?
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:Minglei Xiao
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