導讀：本文譯自 space.com 文章《Why is gravity so weak? The answer may lie in the very nature of space-time》。作者：Paul Sutter，發布於 2022 年 7 月 29 日。
相較於其他四種基本力，引力為何如此微弱？
即便引力的強度再增大十億倍，它仍然是最弱的力 —— 不到其他力的萬萬億分之一。引力如此之微弱，著實讓人感到驚奇，也讓人不禁想要一個答案。
奇怪的是，引力微弱的原因可能並不在於引力本身，而在於希格斯玻色子的工作機制和時空的本質。
層級問題#
舉起一張紙。恭喜，你成功地對抗了整個地球的組合引力。
這幾乎完全不費力，因為引力是自然界四種基本力中最弱的一個（至少到目前為止是這樣）。從度量上講，引力比四種力中最強的力（強核力）弱萬億億倍。
還有另一種感受引力之弱的角度。可能存在的黑洞有一個最小的極限，即普朗克質量。其計算方式是約化普朗克常數乘以光速再除以萬有引力常數（G），之後對其取平方根。該質量大約為 10⁻⁸ 千克。假如引力很強，即如果 G 更大一些，那麼你就可能製造出更小更輕的黑洞。
相較而言，W 和 Z 玻色子（弱核力的傳遞載體）大約比普朗克質量輕萬萬億倍。因此，僅比引力強的弱核力也要比引力強千萬億倍。
在大多數物理學家看來，這種「層級問題」看起來很是古怪。當然，宇宙本身可能就很古怪，並不需要解釋。但這並不是非常讓人滿意的說辭。這反而似乎表明我們還能更深入地探究基本力的物理學，看其中是否還有仍待發掘的新東西。
希格斯玻色子是怎麼回事？#
讓我們暫且忽略電磁力和強核力，僅將引力與其最「相近」的對手相比，即弱核力。也許，要是我們可以解答弱核力如此強於引力的原因，我們就能理解這個整體圖景。
我們完全不知道為什麼引力的大小是這樣的。似乎沒有任何物理學理論試圖解釋這一點。但有些東西似乎能夠解釋弱核力的性質，也即希格斯玻色子。
希格斯玻色子是容納全部時空的場，並會迫使許多其他粒子（比如電子）與之交互。這種交互過程會讓電子獲得質量。與希格斯玻色子的交互越多，質量就越大。
W 和 Z 玻色子也能與希格斯玻色子交互，並也能通過這個交互過程獲得質量。正是 W 和 Z 玻色子的質量確定了弱核力的性質，因為發揮作用的就是這些粒子本身。
那麼又是什麼確定了與希格斯玻色子交互的粒子的質量呢？無他，就是希格斯玻色子本身的質量。如果其質量不同，那麼包括 W 和 Z 玻色子在內的所有其他粒子的質量也會變化。
該圖展示了歐洲核子研究中心（CERN）的緊湊 μ 子線圈（CMS）探測器在 2012 年的一次測試，其中一個希格斯玻色子衰變成了一對光子（黃色虛線和綠色柱體）。（圖源：CERN）
現在，是時候指出這一點了：希格斯玻色子的質量很古怪。它很大 —— 大約 250 GeV，就像許多粒子一樣大 —— 但還算不上巨大。它的尺寸也不小。事實上，對於希格斯玻色子的工作方式，一種朴素的量子力學理解預測認為其持續參與的交互作用（非常多）要麼會彼此抵消掉從而使其質量為零，要麼就是彼此加強從而使其質量趨於無限大。
有什麼東西導致希格斯玻色子正好處在一個微妙的範圍內 —— 正好能保證宇宙中一切的井然秩序。但希格斯玻色子將 W 和 Z 玻色子限制在了非常微小的值，從而使弱核力比引力強許多。
換句話說，之所以說引力在宇宙中最弱的力，並不是因為引力有什麼問題，而是因為弱核力在「作弊」。
對時空的一點新想法#
對於希格斯玻色子質量的非自然狀態，目前並沒有廣為人接受的解答，也就因此我們的層級問題沒有解答，更別說引力之弱的怪異性的原因了。
但所有這些討論都假定我們正確地計算了一切 —— 希格斯玻色子的質量、普朗克質量…… 也許，我們的計算中缺失了一些有關這個宇宙的基本要素。
在許多潛在的解答中，某種想法會讓人質疑我們目前對時空本質結構的理解。弦理論已經為這樣的想法做了鋪墊。為了正確得到該理論的數學描述，我們需要新的緊密的空間維度。
對弦理論的概念化描繪。（圖源：Getty Images）
但在弦理論中，這些額外的維度都非常極其地小，蜷縮成小於普朗克長度的非常緊密的微小形狀。
儘管如此，其中某些額外維度也可能會更大一些。這些維度通常被稱為「Large extra dimensions（大額外維度）」，但說這些維度大，並不是日常意義上的大 —— 其實也只有毫米級。
在這些理論中，自然的其他三種力都僅限於我們普通的三維宇宙 —— 有時候也被稱為「膜（brane）」。但是，引力卻能觸及所有維度，稱為「塊（bulk）」。這樣的話，引力的強度就與其他力一樣了 —— 甚至更強，但是它卻比其他力弥散在了更多的維度之中。因此，在三維實驗中，引力似乎就弱了很多。
我們已經在相當高的精度上測試過引力，但還沒有在那樣小的尺度上進行過。如果我們的宇宙有額外的「大」空間維度，那麼我們可能會在小於一毫米的尺度上觀測到一些奇怪的現象。
舉個例子，我們可能會在小距離上觀測到更強的引力，因為它沒法「溢出」那些額外維度。又或者我們可能會在粒子對撞機中造出微型黑洞，因為在這些微型尺度上，造黑洞可能比我們想象的更容易。
到目前為止，沒有任何實驗找到了額外維度的證據。而引力依然非常之弱。