引力子有质量吗？

来源：原理

1.

1915年，爱因斯坦发表了著名的广义相对论，将引力描述为空间和时间的扭曲。几年后，物理学家发展了支配亚原子粒子世界的量子力学。这也最终使物理学家发现，自然界中的其他三种基本力其实是由载力粒子（称为玻色子）的交换而产生的：电磁力是由光子传递的，胶子负责传递强核力，而弱核力的携带粒子则是W和Z玻色子。

因此，一个自然而然的问题是，引力是否也是由某种玻色子交换而产生的？物理学家在发展广义相对论的量子化版本时，提出了一种全新的、零质量的负责传递引力的假想粒子——引力子。

如果想要检验引力子是否真的质量为零，一种方法是对太阳系中行星的运动进行详细地观测，以计算其质量上限。

2.

由于我们认为引力是以光速传播的，因此引力子的质量（mg）应该为零，这是因为只有像光子这样的零质量物体才能移动得那么快。但如果引力子具有一个非常微小但非零的质量，那么引力就会有一个有限的而不是无限的范围，它可以通过引力子的康普顿波长（?g） 来表示。通过对引力波的观测表明，mg小于5×10⁻²³eV，与之相应的?g值至少为2.6×10¹³km。

另一种方法是通过研究宇宙膨胀的速度来寻找引力子的质量，这种方法将mg范围限制在更小的值（约为10⁻³²eV）。

物理学家们非常热衷于搜索独立的方法来估计引力子的质量上限。大约20年前，物理学家Clifford Will建议可以通过观测太阳系中物体的运动来推断mg的极限值，因为当引力子具有质量时，通过广义相对论所预测出的行星轨道会出现偏差。

○ 根据广义相对论，太阳和行星会让时空（网格）扭曲。广义相对论的标准量子化版本包含了一种可传递引力的零质量引力子（波浪线）。从广义相对论预测的行星轨道的轻微偏差可以用非零的引力子质量来解释。| 图片来源：Y. Gominet / Paris Observatory / Physics

最近，Will将这种方法应用在了火星轨道的观测上，并计算出mg的上限应介于5.6×10⁻²⁴eV和10⁻²³eV之间。

3.

现在，巴黎天文台的研究人员Leo Bernus和他的团队也进行了一个类似的研究，但他们使用的是一种规避了隐藏假设的方法，他们在分析中包含了更多的太阳系天体。

在将对行星轨道的观测结果与从广义相对论中推导出的预测结果进行对比之前，我们先要知道的是行星在某一特定时间的初始位置以及质量。研究人员必须根据观测数据来拟合出一个轨道模型，从而获得位置、质量等参数的信息。

但是如果这个拟合过程本身就不包含存在一个大质量引力子这种可能性，那么通过拟合所得的参数就会偏向标准的相对论结果。因此，若想要得出一个允许非零质量的引力子的理论，那么在确定质量和其他这些参数之前，就要将?g作为一个可调节的参数加入拟合过程中。

4.

在新的分析中，Bernus等人使用一个名为INPOP17b的太阳系统模型，用它在不同的时间点预测太阳和行星的运动。他们采用的第一个时间点是2000年，从一个允许?g为有限的测量的拟合中推导出太阳、行星、卫星以及许多小行星的位置、质量和速度。然后，他们运行了INPOP17b里的运动方程，分别在时间上向前滚动到2017年，向后退回到1913年。之所以选择这个时间段是因为这个期间保存有良好的可用观测数据。接着，研究人员再从观测结果中寻找那些可能暗示着存在一个大质量引力子的不同之处。

在计算过程中，他们估算出?g不得小于1.83×10¹³km，因此引力子的上限为6.76×10⁻²³eV，这些数值结果与Will相差近10倍，但与使用引力波测量数据所得到的数值非常接近。Bernus表示，随着获得更多更好的太阳系的运动数据，引力子的质量上限将会得到越来越好的约束。

参考链接：

https://physics.aps.org/articles/v12/113

https://arxiv.org/pdf/1901.04307.pdf