深度科普：引力子究竟是什么？（建议收藏）

省流版

引力子是一种基本粒子，传递引力。就像光子传递电磁力一样。

完毕

省流版就只有上面这些内容。

至于下面的内容，请酌情阅读（至少要能做出下面这道题）。

每个基本粒子都有三个基本的标签：质量、电荷、自旋。

其中，很多人觉得最陌生的标签应该是自旋。光子的自旋是1，引力子的自旋是2，这究竟是在说什么？

不要小看这个问题，自旋为2，可以说是引力最深层的奥秘。至于深到什么程度？本文的后半部分会详细介绍。

现在，我们需要先理解：引力子的自旋为什么是2？

从引力波谈起

引力子的自旋为什么是2？

理解这个问题，需要从引力波入手。

可以把引力波看成是对时空的拉扯，如果把平直的时空表示成一个平面，那么引力波就像下面这样：

波，都是从波源向外辐射，是不可逆的过程。

几乎所有的波都是球面波，波面是球形，引力波也不例外。但如果离波源足够远，就可以把波面近似看成平面，这种波是平面波。

引力波是横波，也就是说：时空被拉扯的方向，和引力波的传播方向垂直。

如果平直时空里有一个圆形，并且可以跟着时空一起被拉扯，那么当有引力波（近似看成平面波）经过时，圆形会被拉扯成椭圆形，大概像是这样：

如果平直时空里有一个正方形，并且可以跟着时空一起被拉扯，那么当有引力波（近似看成平面波）经过时，正方形会被拉扯成长方形，或是菱形，大概像是这样：

这些图形都有一个共同点：把它们绕自己的中心旋转半圈（180度），会和原来的图形完全重合。

或者说：无法区分这个图形是原本的图形，还是原本的图形旋转180度之后的图形。

这同样也是引力波的特点，以引力波的传播方向为转轴，旋转半圈（180度），时空的“形状”保持不变。

如果至少旋转n圈，可以保持不变，那么螺旋度（自旋）就是1/n

所以，引力波的螺旋度是2，引力子的自旋是2

顺便一提，螺旋度，是用场论的思想看问题。自旋，是用粒子的思想看问题。

顺便也可以理解：光子的自旋为什么是1？

光波（电磁波）近似看成平面波时，“偏振方向”（也就是电场分量和磁场分量的方向）大概是这样：

以光波的传播方向为转轴，旋转一圈（360度），光波的“偏振方向”保持不变。

所以，光波的螺旋度是1，光子的自旋是1

广义相对论的“本质”

现在该填坑了，为什么本文开篇说：自旋为2，可以说是引力最深层的奥秘？

这个问题与另一个有趣的问题相关：

如果没有爱因斯坦（A.Einstein），人类还能创立广义相对论吗？

能！

爱因斯坦发现狭义相对论的过程，可以说是水到渠成的事。在当时（1905年），不管是在实验上，还是在理论上，都为狭义相对论铺平了道路。

但爱因斯坦发现广义相对论的过程，却是一场顿悟式的飞跃。

如果没有爱因斯坦的顿悟，那么要等到量子场论出现以后，人们才能发现广义相对论。这是一个循序渐进的过程，能够更加深刻地揭示广义相对论的“本质”。

如何从量子场论出发，循序渐进地得到广义相对论？

简单来说，量子场论认为：基本粒子可以分为费米子和玻色子。

费米子，是构成实体物质的粒子，它们的自旋是半整数，比如：1/2玻色子，是传递相互作用力的粒子，它们的自旋是整数，比如：0、1、……

量子场论是量子力学和狭义相对论结合的产物，所以各种粒子都必须满足洛伦兹不变性（也就是“相对性原理”，物理规律不随参考系变化）。

自旋为0的玻色子，有多种满足洛伦兹不变性的方式。

自旋为1的玻色子，如果要满足洛伦兹不变性，就还要满足规范对称性。

如果规范对称性是U(1)，那么这种玻色子（光子）可以传递电磁力。如果规范对称性是SU(2)，那么这种玻色子（W子、Z子）可以传递弱核力。如果规范对称性是SU(3)，那么这种玻色子（胶子）可以传递强核力。

U(1)、SU(2)、SU(3)，这是和“群论”有关的专业术语。

群论，是非常复杂的数学，本文就不多谈了。

总之，仅仅考虑自旋为1的玻色子，我们就描述了除引力之外的三大基本力，得到了粒子物理标准模型的“半壁江山”。

那么，再进一步，会怎样？

自旋为2的玻色子，如果要满足洛伦兹不变性，也还要满足规范对称性。并且，为了让理论能够自洽，就只能选择唯一的一种规范对称性！

这种规范对称性就是：广义协变性，广义相对论的基本原理！

所以，自旋为2的玻色子，可以传递引力，这种玻色子就是引力子。这就是从量子场论出发，循序渐进得到广义相对论的过程。

顺便一提，这种循序渐进的过程可以唯一地得到广义相对论。而从爱因斯坦原本设定的基本原理（等效原理、广义协变性）出发，却不能唯一地得到广义相对论。

所以才说：自旋为2，可以说是引力最深层的奥秘。

那么，还能再进一步吗？

自旋为3的玻色子，如果要满足洛伦兹不变性，会怎样？

有趣的是：自旋大于等于3的玻色子，不存在自洽的理论，也就没有对应的物理意义！

这个结论，似乎成功给物理学“封顶”。

这似乎是量子场论最迷人的地方，不仅能描述人类已知的四大基本力，还能证明自然界只存在这四大基本力（当然，自旋为0的玻色子还是有操作空间）。

看到这里，一些读者可能会疑惑：

照你这么说，存在引力子，应该已经是“板上钉钉”的事。

那为啥现在的官方科学家还在寻找引力子？

其实，主要原因是：物理学终究是实验科学，而上文讲的都是理论，理论再严密也不代表就正确，依然要靠实验去检验。

还有就是：引力子不只有一种。

众说纷纭的“引力子”

上文提到：从量子场论出发，可以唯一地得到广义相对论。自旋为2，可以说是引力最深层的奥秘。

上面这句话其实不严谨，严谨的说法是：

广义相对论，是自旋为2的零质量玻色子的非平庸相互作用理论。

大家只需要注意三个字：零质量。

顺便给稍微学过相对论的读者提一句，本文说的“质量”，一律是指“静质量”。

至于“动质量”，早就是个过时的概念。

引力子的质量是0，才能得到广义相对论，这导致很多科普人都喜欢说：引力子的质量是0

但是，事情并不简单。

目前有关引力的实验，一个很重要的实验目标就是：确定引力子的质量。

质量不为0的引力子，是多种玻色子的统称，涵盖了自旋为0、1、2的玻色子。

当这些引力子的质量趋近于0时，就回到了广义相对论。

上面这句话说起来好像很轻松，但却是泡利（W.Pauli）、费尔兹（M.Fierz）、斯图克尔伯格（E.C.G.Stückelberg）、范达姆（H.Van Dam）、韦尔特曼（M.J.G.Veltman）、扎哈罗夫（V.I.Zakharov）、魏因施泰因（A.I.Vainshtein）、德赛（S.Deser）、……这些科学家奋斗了数十年的成果。

最终才有了由德拉姆（C.de Rham）、加巴达兹（G.Gabadadge）、托利（A.J.Tolley）创立的dRGT理论。实现了：引力子的质量趋近于0时，回到广义相对论。

目前，在实验观测上，引力子的质量被限定在10^-33至10^-30eV，符合dRGT理论。

所以，目前科学界的真正问题反倒不是：存不存在引力子？

而是：引力子的质量是多少？

如果有实验能证明引力子的质量不为0，那么dRGT理论就会超越广义相对论。

本文原创作者为：认知皆模型。

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