Question

量子力学中的引力子

Answer 1

引力子，Graviton，又称重力子，在物理学中是一个传递引力的假想粒子（仍未知是否真正存在）。两个物体之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。为了传递引力，引力子必须永远相吸、作用范围无限远及以无限多的型态出现。在量子力学中，引力子被定义为一个自旋为2、质量为零的玻色子。

引力子是量子力学的产物，相对论和量子力学本身就存在冲突，所以寻找引力子成为调和量子力学和相对论力学的途径之一。

爱因斯坦在完成他的相对论后，就一直着手于建立统一场论，试图完成物理学的大统一，可惜那时候各方面的条件都不足，甚至那时候四大作用力只发现了两个，爱因斯坦最终以失败而告终，但是激励了后来的物理学家。

物理学中一共有四大基本力——强力、弱力、电磁力和万有引力；其中引力最先被发现，后来麦克斯韦把电和磁统一到了电磁理论中，四大基本作用力主宰着我们世界微观到宏观的一切，但是又存在明显差异。
爱因斯坦的相对论在描述宏观世界时非常成功，尤其是广义相对论把引力描述为空间的几何效应，解决了天体物理学的众多难题；爱因斯坦受此启发，也试图把电磁力几何化，但是没有成功。

在上世纪五十年代前后，强力和弱力相继被发现，更是激起了物理学家们对大统一理论的热情，要知道从万有引力到电磁力的发现经历了100多年的时间，而距离电磁力的发现已经有100多年了，每次新基本力的发现，都会让一位大物理学家名留青史（前者是牛顿和库伦）。
而这次物理学的机遇，留给了杨振宁和米尔斯，他们两人共同提出了杨-米尔斯理论，建立了大名鼎鼎的标准模型，标准模型在理论上完成了强力、弱力和电磁力的统一。

这三种力的统一都有一个特点，就是需要至少一种传递介子，比如电磁力的传递介子是光子，强力的传递介子是胶子，而弱力的传递介子是w玻色子和z玻色子。
标准模型一下子统一了三种基本力，可以说是取得了巨大的成功，那么标准模型的下一步，自然是想把万有引力也统一进来，可惜在相对论的领域上，标准模型似乎没有话语权；根据标准模型的描述，把传递引力的介子叫做引力子，定义为自旋为2，静止质量为零的玻色子，但是引力子目前只存在于理论中。
科学家使用各种精密的实验来寻找引力子，但是都没有成功，可能的原因是：引力子的频率非常低，波长非常长，所以引力子携带的能量非常低。

比如地球拥有巨大的质量，那么地球引力子的波长理论上有6光年，能量数量级为10^-42焦耳，如此微弱的能量，现有仪器根本无法探测到。

有人可能觉得，引力波都被证实了，难道不是间接证明了引力子存在吗？

当然不是，引力波是空间的涟漪，并不能说明引力子存在，好比在19世纪末，物理学家知道电磁波的存在，但是并不能说明光子存在，直到爱因斯坦正确解释了光电效应，才说明光子是存在的。

目前量子力学主宰着微观世界，而相对论在描述宏观方面非常成功，但是两者又存在不相容的地方，而对万有引力的描述是分歧之一，所以寻找引力子，成为调和量子力学和相对论力学的途径之一。