万有引力的统一与四种力的统一

牛顿在1687年就发表了万有引力的计算公式，但他只是确认了质量物体与质量物体之间会存在相互吸引的引力，然后通过微积分得出可以对其计算的公式。或者说，牛顿给出了一个质量分布与周围空间中引力场强度之间的数学关系式，但并没有说明这种力来自何处。

但在爱因斯坦看来，引力并不是力，而是时空的变化，这也是广义相对论对万有引力的解释。

简单地说，狭义相对论研究的是速度对四维时空结构的影响，广义相对论研究的是质量对四维时空结构的影响。在爱因斯坦看来，质量也会导致四维时空发生弯曲，引力场正是弯曲了的时空，而引力场中的物质会顺着弯曲了的空间移动。正如他的同事惠勒所总结的：

质量告诉时空如何弯曲，而时空告诉质量如何移动。

虽然牛顿与爱因斯坦的思路不同，但在数学计算上，两者对物体轨道运动的预测结果相差很小。比如要计算苹果落地的时间或者对月球公转作相关推算，无论采用哪一个理论都可以，误差可以忽略不计。但在特定情况下，比如有名的水星进动问题，广义相对论可以计算出比牛顿引力论更精确的结果，而且还能推导出黑洞这种奇特的天体。

可以说，广义相对论是描述宏观世界时预言精度最高的引力理论。虽然也有精度相当高的其他理论，但广义相对论是最简洁的。

然而，爱因斯坦在万有引力研究上的成功，却将他引领向一个更艰难的科研方向。

早在20世纪20年代，爱因斯坦就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用，也可以说是解释一切物理现象，因为他认为自然科学中“统一”是一个最基本的法则。甚至可以说在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念根深蒂固，他深信“自然界应当满足简单性原则”。

提出广义相对论后不久，爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。这项工作一直持续到他1955年逝世，几乎耗尽了他后半生的全部精力。

当然，爱因斯坦的研究方向是以自己相对论的方向为基础，即广义相对论与四维时空结构。

等到20世纪60年代，格拉肖、温柏格、萨拉姆三位科学家提出弱电统一理论，把弱相互作用和电磁相互作用统一起来。这种统一理论可以分别解释弱相互作用和电磁相互作用的各种现象，并预言了几种新的粒子，他们因此荣获1979年诺贝尔物理学奖。(www.xing528.com)

但与爱因斯坦的研究思路不同，这三位科学家尝试的是粒子标准模型的方向，更偏向量子力学。他们认为两个电荷粒子之间之所以产生电磁力，是因为它们会持续不断地互相交换（投掷）虚光子（一种不可观测的光子）；正是这种微观粒子的交互作用，产生了电磁力与弱作用力。

也就是说，量子力学通过对光子的量子化，将电磁力与弱作用力统一起来。这个思路既符合数学上的计算，也与实验现实吻合，美中不足的仅仅是需要引入一种无法被观测到的虚光子，但后者可以被其理论解释。

在提出弱电统一理论10年后，萨拉姆又与另一位美国科学家帕提在这个思路基础上引入夸克概念，进一步提出了能统一强、弱、电磁三种作用的大统一理论。这个理论大体上可以解释一些物理现象，缺陷在于该理论会推导出一个结论，那就是质子会衰变，这与实验结果矛盾。

但不论如何，强、弱、电磁三种作用力终于可以用一种统一的数学方式进行描述。至此，人们希望找到办法把万有引力也吸纳进来，形成四种力在描述上的完全统一。

用粒子来解释场作用，这便是粒子标准模型的思路。相应的，如果存在一种能实现引力功能的粒子，那万有引力就可以与其他三种力实现形式上的统一。这种被需要的粒子就是“引力子”，量子力学需要引力子的存在，以符合相关假设。

现在我们已经知道“引力波”是存在的，那么根据量子力学波粒二象性的基本观点，也必然存在与引力波相对应的引力子。

然而，迄今为止，引力子还没有被发现。

综上所述，无论广义相对论还是量子力学，为了解释万有引力的本质，人们做了许多猜测^[1]。

很快我们会介绍在“物质以太”观念下对万有引力的认知、万有引力场的产生机制，以及为什么粒子会在其中感受到万有引力，这也是本章的重点。

但在那之前，我们需要了解广义相对论的一些相关内容，以及以太观念下的广义相对论。