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当引力不再是力，我们为什么还需要引力子呢？

毫无疑问 ， 引力（重力）是种力 。
当引力不再是力，我们为什么还需要引力子呢？
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激光干涉引力波天文台（LIGO） ， 首次成功测得引力波 。 在物理学的标准模型中 ， 波函数或场都以激发量子为特征 。 以电磁力为例 ， 这种激发量子出现在磁场与电场相互作用的位置 ， 被称作光子（或辐射量子） 。 在强力中 ， 它叫做胶子；在弱力中 ， 它是W+,W-或Z0玻色子 。 相应地 ， 引力或引力场也应该有其激发量子 ， 目前称之为假设引力子 。 这种自旋2粒子波二象性不与普通物质以粒子探测器可见的方式相互作用 。 据估计 ， 即使是将一个木星大小的粒子探测器放在中子星附近 ， 很有可能十年才能观测到一个引力子 ， 即使这样 ， 在中微子的背景下也无法分辨 。 换言之 ， 我们可能从未真正观察或测量到引力子 。
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结论：我们“需要”引力子来完善物理学的标准模型 ， 即目前最符合我们的观察和测量的模型 。 因此 ， 即使没有直接的观测能够证实 ， 我们也还是假设引力子存在 。
类似地 ， 我们需要确认希格斯场（希格斯玻色子）的激发量子 ， 以解释像夸克和轻子这样的基本粒子如何获得可观测到的质量 。 2012年7月4日 ， 我们在大型强子对撞机中得到了证实 。
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【当引力不再是力，我们为什么还需要引力子呢？】结论：是的 ， 我们需要引力子来解释基本的引力 。
很对人会脸上带着你熟悉的那种无所不知的笑容告诉你 ， 引力不是一种力 。
然后你拿起一块砖 ， 一不小心掉了 ， 正好砸在大脚趾上 。 你痛得大叫 。 这肯定会让你感觉是一种力 。 但并不是 ， 一定是你错了 。 因为每一个听过我们伟大先知——阿尔伯特.爱因斯坦的学生都知道 ， 引力不是力 。
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别介意爱因斯坦（真正的科学家 ， 而不是科学预言家的漫画形象）从没说过这件事 。 事实上 ， 尽管爱因斯坦将意识到惯性和引力是基本相关的概念这件事描述成他“一生最快乐的想法” ， 但他也有些怀疑是否过于相信这个概念了 。
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这一切要归结于广义相对论的关键理论之一——弱等价原理 。 弱等价原理的基本理论是：所有物体对引力的反应都是相同的 ， 与形状和材质无关 。
这种特质使得引力与电磁学完全不同 。 在电磁学中 ， 一大块带电物质与一大块中性物质对电磁场的反应完全不同 。 这一切归结于一个叫做电荷质量比的量：粒子的电荷量决定其受力大小 ， 粒子的质量决定其阻碍运动的惯性大小 。
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但对于引力 ， 电荷就是惯性质量 。 所以引力概念中的“电荷质量比”就是质量除以质量 ， 对于所有物体都是1 。 （是的 ， 即使对于像光子这种没有质量的东西 ， 也是成立的；它们当然没有质量 ， 所以“电荷质量比”得定义变得更加抽象和数学化 ， 但这种关系依旧存在 。 ）
这将产生一个十分直接的结果 。 如果将所有实物粒子以同样的速率加速 ， 那我们总能找到一个加速坐标系 ， 这这个坐标系下所有离子根本没有被加速 ， 而是静止不动或者匀速运动 。 简而言之 ， 引力的效应可以被几何变换抵消 。
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这使得引力和另一个与惯性紧密相关的力很相似：臭名昭著的离心力 。 当你坐在粗暗转木马上 ， 没有任何实际的相互作用拉扯你的身体远离其中心 。 没有任何力的作用 。 你感觉到的是一种模拟力 ， 这是因为你在一个非惯性参考系中运动：旋转木马的旋转参照系 。 唯一真实存在的力是椅子对身体作用的力 ， 这个力将你维持在旋转参照系中而不是惯性轨道中 。
所以我们很容易用同样的方式看待引力：作为一种模拟力 ， 是我们身在非惯性系而产生的结果 ， 我们受到唯一真实存在的力是地面的作用力 ， 这种力阻止我们进入惯性（自由落体）轨迹 。
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但现实情况要微妙得多 。 与离心力（模拟力）不同 ， 引力场是有源场：由于引力场的存在 ， 所有物质都有动能 。 简单来说 ， 引力场本身就是一个物质场：携带能量和动量 ， 并且可以被探测（事实上确实已经探测到：LIGO观测到引力波；上世纪70年代曾首次间接发现——通过观察双子星辐射引力波会损失能量） 。
此外 ， 引力不像其他的力那样无法用几何学语言描述 。 事实上 ， 这种几何学描述（称为协变导数）是量子场论的标准工具集以及著名的粒子物理学标准模型的一部分 。 关键的区别在于 ， 这种情况下几何形状取决于粒子经历这种几何形状的电荷质量比 。 相反 ， 上面已经提到 ， 引力中的电荷质量比对于所有物质都一样 ， 即都为1 ， 所以它没有这样的作用：即无论用什么粒子测量 ， 几何形状都一样 。 当你听到引力场被称为“普遍地和最低限度地相互作用”的场时 ， 这就是普编几何解释成为可能的原因 。
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最终 ， 这就归结于我刚刚提到的 ， 引力场是有源场 。 这有什么关系呢？让我来解释一下 。 我们可以在广义相对论的弯曲时空中很好地研究量子场理论 。 有一些有趣的结果（最引人注目的是 ， 人们意识到“粒子”概念并非基本概念 ， 两个被加速的观察者看到的粒子内容可能并不一致）但理论是一致的 ， 并且遵循因果关系 。 但是如果认为物质是引力源 ， 我们就陷入了一个死结：量子场（其特征不是数字）决定时空曲率（特征是数字） 。 简而言之 ， 爱因斯坦的著名场方程将毫无意义：题目问做一个橘子需要几个苹果 。
这使我们无法过多地理解几何解释 ， 而是将引力看做另外一个场 ， 就像电磁场 ， 并考虑量化它 。 即使还不知道量化理论的细节如何 ， 但可以知道的是它就像弱引力场中的“扰乱性限制”：它可以用量子来表示 ， 我们称之为引力子 。
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如果真的能成功量化引力 ， 那一切猜测就结束了 。 可惜 ， 尽管理论学家已经努力数十年 ， 也还是没能成功 。 还有其他可能性吗？其中有一种 ， 是最差但也是最成功的的方法 ， 就是接受现状：如果引力是非量化的呢？如果物质在爱因斯坦场方程中不是通过它的量值场 ， 而是通过相应的“期望值”——普通的数来表示 ， 那会怎么样呢？这糟糕透了 ， 简直就是一个拼凑 ， 但结果却超乎寻常的好：这种“半经典引力”准确地描述了任何我们能实现的可想象得到的试验或观察 ， 只有在大爆炸的最初时刻和粒子落入黑洞的最后一刻才会失效 。
所以 ， 我们可能根本不需要引力子 。 也许 ， 引力真的只是一种模拟力 。 又或许 ， 是想电磁力一样真实存在 。 但可以肯定的是 ， 它可以用几何学来解释 ， 因为物质与潜在的场之间的联系是普遍且最低限度的 。 这个问题至今悬念依旧 。
作者:quora
FY:Laurels
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