（文/Stuart Clark）科學(xué)家通常不太相信巧合。如果兩件事情沒有實際的聯(lián)系，那就沒人會有興趣再深究它們。然而，如果巧合不斷地發(fā)生，其中就必然會有一些潛在關(guān)聯(lián)?？茖W(xué)的任務(wù)就是找出這些關(guān)聯(lián)，并以此說明根本就沒有什么巧合存在。

然而，現(xiàn)代物理學(xué)的一個龐大分支恰恰就搖搖晃晃地建立在一個巨大的“巧合”之上——這件事情實在是非常古怪。

這個巧合植根于我們看待和定義“質(zhì)量”的方式之中。它涉及這個世界的運作方式，而且太過于基礎(chǔ)，以至于我們中的大多數(shù)人每天都會遇到它，卻從未產(chǎn)生過任何想法。不過，對于世界上一流的物理學(xué)家來說，這個巧合已經(jīng)困擾了他們好幾個世紀(jì)。伽利略和牛頓都跟它做過斗爭，但最終也只能接受它的存在而無法解釋它。愛因斯坦更向前進(jìn)了一步：他宣稱這是一種自然原理。接著，他以這個“等效原理”（equivalence principle）為基礎(chǔ)，建立了迄今為止解釋神秘引力的最佳理論——廣義相對論。

但是，存在一個問題。如果我們想要找到某個更好更全面的理論，能夠把引力與支配這個世界的其他作用力統(tǒng)一起來，等效原理就不能存在。我們必須破解這一巧合，或者更激進(jìn)一些，重新考慮物理學(xué)應(yīng)該要如何發(fā)展。

等效原理有很多個版本，但萬變不離其宗：引力場對物體施加的作用，無法與加速運動產(chǎn)生的效果區(qū)分開來。愛因斯坦的一個思維試驗可以把它解釋清楚。設(shè)想一個人站在地球上的一部電梯內(nèi)部，是什么使他穩(wěn)穩(wěn)地站在地板上？當(dāng)然是無處不在的引力?，F(xiàn)在，想象同一個人處在同一部電梯中，只不過電梯處在浩淼的宇宙深處，遠(yuǎn)離任何引力物體。一枚火箭推動這部電梯加速運動，加速度剛巧跟地球上的重力加速度相等。這位乘客仍然可以穩(wěn)穩(wěn)站在地板上，跟前一種情況完全一樣。

為什么沒有引力，情況也是一樣呢？在這種情況下，使乘客飄不起來的是他的慣性。慣性是萬物反抗加速的一種自然屬性——當(dāng)司機踩下油門的時候，你就會感受到慣性把你推到椅子背上。

在這兩部電梯里，乘客都有一個共同的屬性——質(zhì)量。但這兩個質(zhì)量來源于完全不同的兩個方面：前一個是引力質(zhì)量，是對引力作用的某種反應(yīng)，使物體在引力場中加速運動；后一個是慣性質(zhì)量，體現(xiàn)了物體抵抗加速運動的能力。

愛因斯坦提出的等效原理，是他推導(dǎo)出解釋神秘引力的廣義相對論的重要基石。圖片來源：新科學(xué)家

兩個質(zhì)量在數(shù)值上總是完全相等，這是等效原理的另一種表述方法。這個“巧合”可謂影響深遠(yuǎn)。如果這兩個質(zhì)量不相等，不同質(zhì)量的物體在地球上就會以不同的速度下落，而不會在同一個引力場中以相同的方式加速運動。這種“自由落體的普適性”，最早是由伽利略檢驗過的，據(jù)說他曾在比薩斜塔上同時丟下了一袋羽毛和一袋鉛塊（當(dāng)然，這只是個傳說而已）。實際上，引力和慣性質(zhì)量的等效會影響整個宇宙中所有的引力運動。打個比方來說，如果引力質(zhì)量比慣性質(zhì)量稍大一點，行星圍繞恒星以及恒星圍繞星系的旋轉(zhuǎn)速度就要比現(xiàn)在稍快一些。

然而，沒有任何顯而易見的理由可以解釋，為什么這兩個質(zhì)量就應(yīng)該相等。但只有作出這樣的假設(shè)，愛因斯坦才能把他那套時空拉伸和擠壓的古怪想法發(fā)展完整，這還是1905年愛因斯坦提出狹義相對論時率先引入的概念。愛因斯坦設(shè)想：一個大質(zhì)量物體（比如行星）壓縮周圍的空間，并且越靠近它，壓縮的幅度就越大。隨著某個物體落向這顆行星的表面，穿過這些被壓縮的空間所需的時間就會越來越短——看起來就像是在加速運動一樣。

古怪的力

到了1916年，這個想法引導(dǎo)愛因斯坦發(fā)展出了廣義相對論。在廣義相對論中，引力只是物體在逐漸被壓縮的空間中作勻速運動而表現(xiàn)出來的一種“假象”。沒有了引力，引力質(zhì)量也就成了虛構(gòu)的概念。宇宙中只剩下唯一一種質(zhì)量還在發(fā)揮作用，它給物體賦予了慣性。等效原理背后暗含的“巧合”，就這樣消失不見了。

廣義相對論精確無比，經(jīng)受住了迄今為止我們所作的全部檢驗，能夠準(zhǔn)確預(yù)言天體位置，在精密引導(dǎo)人造衛(wèi)星方面也得到了應(yīng)用。但是，它的一些古怪之處仍讓物理學(xué)家不太舒服。在自然界中，物體之間的所有其他作用力都是通過極輕的粒子來傳遞的，比如電磁力就是通過交換沒有質(zhì)量的光子，在帶電物體之間傳遞的。表面上看來，引力的作用方式并沒有什么不同，似乎也應(yīng)該通過這種方式傳遞才對。

于是，讓引力與量子理論統(tǒng)一口徑，就成了構(gòu)建弦論和其他所謂的“萬物至理”（theories of everything）等嘗試的主導(dǎo)思想。但是，如果將引力重新劃歸為一種真實的作用力，就需要找到某種東西讓它能夠依附，就好像電磁力依附于電荷一樣。換句話說，“真實”的引力需要依附于引力質(zhì)量，這種質(zhì)量必須與慣性質(zhì)量分道揚鑣才行。

這意味著，通往“萬物至理”的路途上必須經(jīng)過的第一步，就是犧牲掉愛因斯坦所鐘愛的等效原理?！叭魏瘟孔右碚摫囟〞谀撤N程度上違背等效原理，”英國劍橋大學(xué)理論物理學(xué)家本·格里派奧斯（Ben Gripaios）如是說。

那么，該怎么辦呢？一種已經(jīng)在嘗試和檢驗的方法就是，試圖證明兩種質(zhì)量并不完全等效，只是在數(shù)值上非常非常接近而已。它們之間哪怕只有一丁點兒的差別，就意味著廣義相對論只是一個近似，意味著在更深的層次上必定存在一個更精準(zhǔn)的理論。德國不來梅大學(xué)的克勞斯·拉默扎爾（Claus L?mmerzahl）說：“如果有人找到這個差別，我們就實現(xiàn)了重大的突破?！?/p>

實現(xiàn)這個突破的一種方法，與伽利略的“比薩斜塔實驗”異曲同工，就是檢驗自由落體的普適性以及等效原理的其他推論，期望在其中找到一些細(xì)微的異常。不過，到目前為止，基本沒有人成功（參見補充閱讀“自由落體”）。

如果不同的物體在引力下以不同的速度下落，等效原理就被打破了。圖片來源：Stefan Schmidbauer/ZARM

與此同時，理論學(xué)家也提供了另一條線索。他們指出，不論愛因斯坦所說的“引力并不存在”是否正確，現(xiàn)在還沒有人能夠給出一種令人信服的方式來解釋慣性。“我們不知道如何定義慣性，”格里派奧斯說，“我們只知道它必定跟質(zhì)量密切相關(guān)，但除非我們能夠精確地定義它，并且知道如何去測量它，否則我們無法給出一套理論來解釋它?！?/p>

可以確定的是，慣性并非全部來自質(zhì)量的提供者——希格斯場（Higgs field）。2012年，在對瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機中粒子對撞產(chǎn)生的碎片進(jìn)行仔細(xì)篩查之后，物理學(xué)家找到了希格斯場及其對應(yīng)粒子存在的證據(jù)。盡管希格斯場被認(rèn)為能夠給電子和夸克之類的基本粒子賦予質(zhì)量，但是在夸克結(jié)合成更重的粒子，比如構(gòu)成普通物質(zhì)的中子和質(zhì)子時，質(zhì)量會比夸克的質(zhì)量之和多出上千倍。這些多出來的質(zhì)量并非來自于希格斯機制，而是來自于使夸克結(jié)合在一起的能量。這兩種效應(yīng)必定通過某種方式結(jié)合，再配合其他東西，共同給物體提供了抵抗加速運動的能力?！跋８袼箼C制不可能單獨承擔(dān)起賦予物體慣性的那個神秘角色，”格里派奧斯說。

接下來該怎么做？史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在上世紀(jì)70年代的工作提供了一條思路。諷刺的是，霍金當(dāng)年提出這個想法的依據(jù)，正是等效原理的一個嚴(yán)格的推論?；艚甬?dāng)時正在研究黑洞的性質(zhì)，這是一種密度高到難以想象的天體，它的存在正是廣義相對論的一個核心預(yù)言?；艚鹛岢?，黑洞應(yīng)該會向外發(fā)出的輻射，因為空間中不斷產(chǎn)生的量子粒子對，在靠近黑洞的地方會被分開，一個被黑洞吸進(jìn)去，另一個則被留在外面。于是，加拿大物理學(xué)家威廉·昂魯（William Unruh）等人由此提出：如果引力和加速真的是一回事兒，那么在真空中加速運動的任何物體，也應(yīng)該會發(fā)出類似的輻射。

和霍金輻射一樣，昂魯提出的輻射也沒有被明確探測到過。要產(chǎn)生實驗室里探測得到的輻射強度，物體的加速度必須非常高才行。不過也有人聲稱，在粒子加速器的強磁場中作加速運動的電子身上，他們已經(jīng)觀測到了這種輻射。

在昂魯輻射被提出大約10年之后，德國馬普學(xué)會地外物理研究所的天體物理學(xué)家伯納德·海施（Bernard Haisch）和美國加利福尼亞州立大學(xué)長灘分校的電氣工程師阿方索·呂埃達(dá)（Alfonso Rueda）意識到，真空與物體的相互作用并不只限于物體表面，而是會作用于整個物體——這就會在物體運動的相反方向上產(chǎn)生一個作用力。他們開創(chuàng)性地把這種力類比成洛倫茲力（Lorentz force），也就是帶電粒子在磁場中運動時會感受到的那種力。這就相當(dāng)于量子真空中的某種“電磁”相互作用。用海施的話來說，“這看上去剛好就是你們想要的慣性?！?/p>

反常加速度

英國普利茅斯大學(xué)的邁克·麥卡洛克（Mike McCulloch）認(rèn)為，這樣的相互作用也恰好是打破等效原理所必須的。昂魯輻射有一個預(yù)言是這樣的——就像熾熱物體發(fā)出的熱輻射一樣，昂魯輻射在不同波長上也有不同的強度。對于加速度很小的物體，它的昂魯輻射對應(yīng)的溫度較低，會以超長波輻射為主。如果加速度確實非常小，有些輻射的波長就會比可觀測宇宙的尺度還要大，因而會被有效地截斷。

在這種情況下，根據(jù)麥卡洛克在2007年所做的計算，一個物體感受到的昂魯輻射總量會有所下降，它受到的與加速方向相反的力也會減小。于是，它的慣性就會變小，要比標(biāo)準(zhǔn)的牛頓運動定律更容易移動——這樣一來，慣性與引力質(zhì)量的關(guān)聯(lián)就被切斷了。

這種觀點的麻煩在于難以檢驗。在地球這種強引力環(huán)境中，小到能夠產(chǎn)生可觀測效應(yīng)的加速度并不容易獲得。但是在星系邊緣那樣的弱引力環(huán)境中，這種效應(yīng)或許很容易看見。事實上，麥卡洛克注意到了大多數(shù)旋渦星系中出現(xiàn)的恒星運動異常，他提出這種機制或許可以解釋另一個長期懸而未決的宇宙之謎——暗物質(zhì)（參見補充閱讀“暗慣性”）。

平心而論，這種觀點并沒有轟動世界。海施和呂埃達(dá)提出他們的機制之后，NASA立刻撥款支持他們作更進(jìn)一步的研究，他們還從私人那里籌集到了大約200萬美元的研究經(jīng)費。但是，由于缺少可供檢驗從而證明他們觀點正確的預(yù)言，這些經(jīng)費和人們的興趣很快就要耗盡了。

盡管如此，就連拉默扎爾這樣的保守派也認(rèn)為，我們不應(yīng)當(dāng)讓這個想法從手中溜走?！半m然我更偏向于弦論，但是這些‘真空相互作用’的觀點也并非一無是處，”他說，“我們必須認(rèn)真地審視它們，看看它們能不能給我們帶來新的方法，去檢驗等效原理?！?/p>

2010年，以巴西塔茹巴聯(lián)邦大學(xué)的維托利奧·德洛倫西（Vitorio De Lorenci）為首的三位巴西天文學(xué)家提出了一個檢驗方案。他們提出，用一個旋轉(zhuǎn)的圓盤來抵消地球在空間中旋轉(zhuǎn)和移動所帶來的加速運動。當(dāng)加速度降到最小時，圓盤的慣性應(yīng)該會降低，意味著它應(yīng)該比牛頓定律得出的轉(zhuǎn)速要快一些。盡管成本不高，但他們沒能籌到經(jīng)費來進(jìn)行這項實驗。

除非有人完成一項實驗證明等效原理是錯的，或者在理論上證明它必須是對的，否則這個死結(jié)就破解不開。但是，如果最終引力質(zhì)量真的是慣性質(zhì)量的另一種形式——先不去管慣性到底是什么——那么，被放到祭臺上準(zhǔn)備祭天的，就會輪到包括弦論在內(nèi)的量子引力論了。通向“萬物至理”的道路也會更加曲折。如果引力不是一種作用力，而真的像廣義相對論描述的那樣，是時空彎曲產(chǎn)生的一種幻覺，我們就必須從更深層次上去理解，是什么造成了這種時空彎曲。

只是巧合而已嗎？這一回，連科學(xué)也沒辦法輕易反駁了。