为什么现实世界不存在反引力？

虽然宇宙中已知有四种基本力，但只有引力在最大的宇宙尺度上起作用。其他三种基本力中： 强核力将质子和中子结合在一起，弱核力负责放射性衰变和夸克与轻子之间的任何“物种变化”，而电磁力使得中性原子的形成成为可能。

在宇宙尺度上，这三种力都无关紧要。原因很简单，当你将大量粒子聚集在一起时，其他力在很远的距离上都会平衡。在这三种力的作用下，物质在大尺度上呈现“中性”，不存在净力。

但引力却并非如此。事实上，从这个意义上来说，引力是独一无二的。在引力中，只有“正”引力，即是说具有正质量或能量的物质。在这些物质之间，引力只是吸引力，因此可以不断累积起来。但为什么是这种方式，而不是其他方式呢？这是一个深刻的问题，值得一个高质量的答案。

地球绕太阳旋转的引力行为并非由看不见的引力所致，而更确切地说，地球在太阳主导的弯曲空间中自由下落。两点之间的最短距离不是直线，而是测地线：由时空的引力变形定义的曲线。对于每个观察者来说，“距离”和“时间”的概念都是独一无二的，但根据爱因斯坦的描述，所有参考系都同样有效，“时空间隔”仍然是一个不变的量。

上图是广义相对论的“经典”图解：空间（和时间）只是一种结构，所有物体（包括无质量和有质量的物体）都存在于这种结构中。一个地方的质量（或能量）越大，空间因该质量或能量的存在而弯曲的程度就越大，因此结构变形的程度就越大。对于任何穿过该空间区域的物体，该空间的曲率（即结构扭曲的程度和方向）决定了所有实体（包括有质量和无质量的物体）将如何穿过它。

现在，很多人会反对这张照片，因为它将空间描绘为二维，而不是三维，而且空间的变形（或曲率）在“向下”方向，就像床上的保龄球一样。事实上，真实的物理情景确实不是这样。所以对于那些持反对意见的人，我鼓励你们将空间想象成一个三维网格。只不过，不是“笛卡尔”网格，而是想象成一个立体的网格，其中的线被物体的存在“吸”向内，就好像有人从笛卡尔网格中抓起一串绳子，把它们全部拉向一个点。

动画展示了质量穿过时空时如何响应，这有助于展示时空在质量上不仅仅是一块织物。相反，整个三维空间本身都会因宇宙中物质和能量的存在和特性而弯曲。多个质量相互绕转将导致引力波的发射，而任何穿过包含这种扭曲时空的区域的光都会因弯曲空间的影响而弯曲、扭曲，甚至可能被放大。

我们需要考虑的一个大问题是，为什么引力不能以排斥的方式发挥作用？物体只会受到引力，似乎不会受到反引力。就好像空间只能朝一个方向“弯曲”：这个方向使物体具有吸引力，而不是排斥力。在“二维床单”类比中，物质和能量只会导致空间“向下”弯曲，而不会“向上”，因此只有吸引力，没有排斥力。在“三维网格”类比中，物质和能量只会导致这些线“向内”，而不会“向外”，同样导致只有吸引力，没有排斥力。

这其中有一个深刻而重要的原因，它直指引力在四种基本力中不仅引人注目，而且独一无二的核心：宇宙中引力“电荷”的类型只有一个“符号”——“+”。

想一想，这不是我们通常理解引力的方式。我们不会谈论引力电荷；当谈到引力时，我们会谈论“质量”和“能量”之类的东西。但在所有已被证明存在的物理实体中，无论是宏观的还是量子层面的，都没有发现过“负质量”或“负能量”这样的东西。总的来说，质量和能量必须始终为正。

牛顿万有引力定律（左）和库仑静电定律（右）的形式几乎相同，但一种电荷和两种电荷之间的根本区别为电磁学开辟了新的可能性。然而，在这两种情况下，只需要一个携带力的粒子，即引力子或光子。

将其与电磁力进行比较，您会立即发现差异。对于电荷等现象，您不仅拥有“一种”电荷；而是拥有两种：正电荷 (+) 和负电荷 (-)。根据电磁学规则：

· 正电荷与正电荷相斥，

· 正负电荷相互吸引，

· 负电荷与负电荷相斥，并且

· 负电荷和正电荷相互吸引。

换句话说，电磁力的符号（即作用于每个粒子的净力指向哪个方向）取决于电荷是相同（在这种情况下它们排斥）还是相反（在这种情况下它们吸引）。

事实证明，电磁力比引力强得多：如果你将两个（带正电的）质子放在一起，测量（排斥的）电力并将其与（吸引的）引力进行比较，你会发现排斥力比引力大10³⁶ 倍。那么为什么主宰宇宙的不是电力，而是引力呢？

该图显示了星系在星际介质中的宇宙尘埃上留下的磁场线，这是普朗克 CMB 实验发现的。这些磁场线的强度为微高斯，可以在数百甚至数千光年内保持一致。在宇宙大尺度上，电磁力无法与引力相匹敌，尽管从根本上说，电磁力要强几个数量级。

答案是因为宇宙是电中性的，其中正电荷和负电荷的数量是平衡的。原子是电中性的，原子核的正电荷与围绕原子旋转的电子的负电荷正好平衡。行星、恒星和星系也主要由原子组成，总体上是电中性的。引力之所以如此重要——可以说是宇宙极大尺度上唯一重要的力，这是因为尽管它非常微小，但它是累积的。

另外两种（核）力也被禁止影响大尺度。对于弱核力，事实是这种力是由非常大的粒子——W 和 Z 玻色子介导的。由于这些粒子比经历弱相互作用的粒子质量大得多，因此这些相互作用受到非常强烈的抑制。只有通过量子隧穿过程，从（不稳定的）初始状态到（更稳定的）最终状态，弱相互作用才能进行。距离越远，抑制就越大，因此在大于亚原子粒子的尺度上，弱相互作用根本不起作用。

图中显示的带正电和负电的介子的衰变分为两个阶段。首先，夸克/反夸克组合交换 W 玻色子，产生一个介子（或反介子）和一个中微子（或反中微子），然后介子（或反介子）再次通过 W 玻色子衰变，产生中微子、反中微子，最后产生电子或正电子。这是制造中微子光束线中微子的关键步骤，需要通过弱相互作用进行两次单独的衰变：首先介子衰变为介子，然后介子衰变为电子。由于控制弱相互作用的玻色子（W 和 Z）质量巨大，因此弱相互作用的距离极短。

对于强核力，情况稍微复杂一些。强核力由胶子介导，而胶子没有质量，就像光子（介导电磁力）一样。与引力（具有一种电荷）或电磁力（具有两种电荷）不同，强核力实际上具有三种相互关联的电荷。谈到强核力时，我们通常使用颜色类比，其中：

· 红、绿、蓝是三种颜色，

· 青色、洋红和黄色是三种反色，

· 一种颜色加上它的反色（红色和青色、绿色和洋红色、蓝色和黄色）是无色的，

· 三种颜色组合（红色+绿色+蓝色）或三种反色组合（青色+洋红色+黄色）也会形成无色组合。

在基本粒子中，只有夸克和胶子具有颜色，夸克和反夸克只能存在无色状态：重子（三个夸克）、反重子（三个反夸克）、介子（夸克-反夸克组合），以及更复杂、寿命更短的状态，如四夸克（两个夸克和两个反夸克）和五夸克（四个夸克和一个反夸克或四个反夸克和一个夸克）。

因为自然界中只存在无色的夸克束缚态，所以这些束缚态之间的力也必须通过一种无色组合发生，这种组合保持重子数守恒，也就是介子。因为所有介子都是巨大的，所以这种“剩余强力”也是短程的，就像弱核力一样。

单个质子和中子是无色实体：这是当今宇宙中唯一允许存在的夸克态。虽然强力是由无质量（胶子）粒子介导的，但单个束缚态之间存在的唯一力是由介子引起的，介子本身都非常大，严重限制了强力的范围。

在宇宙尺度上，引力就成了问题。所有质量都是正的，所有能量都是正的，由于空间中所有位置的质量/能量决定了空间曲率，而空间曲率决定了引力，因此引力必须始终具有吸引力。

显然，这就是我们拥有的宇宙的现实图景。但我们可以想象一个非常不同的宇宙：一个可以存在负质量或负能量状态的宇宙。与电磁力的同性电荷相斥，异性电荷相吸不同，引力将被翻转：

· 正质量/能量状态会吸引正质量/能量状态，

· 正质量/能量状态会排斥负质量/能量状态，

· 负质量/能量状态会吸引负质量/能量状态，并且

· 负质量/能量状态会吸引正质量/能量状态。

如果负质量/能量状态成为我们现实的一部分，我们就能以非常聪明、重要的方式操纵它们。我们可以移动负状态，让它们“保护”我们免受引力的影响，让我们无需自由落体就能体验失重的感觉。

在地球上，在我们星球的引力场中，没有办法“保护”我们免受地球引力的影响，因为没有引力负电荷/质量/能量形式。体验失重的唯一方法是自由落体，就像已故的斯蒂芬·霍金在 2007 年经历的那样。

我们可以创造出太空中的宇宙飞船，其地板由正能量状态构成，其顶部的天花板由负能量状态构成，这使我们能够创建一个均匀的“人工重力”场，就像电磁电容器在其内部创建均匀的电场一样。

也许最引人注目的是，如果我们拥有足够多的正能量和负能量状态，我们可以利用这些双重的负能量和正能量状态来创建一个扭曲场：

· 航天器前方的空间呈正弯曲并收缩，

· 航天器后面的空间呈负弯曲，并且膨胀，

· 并且航天器所在的空间是平坦的，可以防止其被引力潮汐力摧毁/损坏。

这就是阿库别瑞引擎

背后的核心理念：广义相对论中的解决方案，允许现实的曲速引擎，前提是存在负质量/能量状态。现实的曲速引擎的一大希望是，反物质即使具有爱因斯坦的E = mc²中的正质量，也会表现得像具有负引力质量一样。然而，在引力场中进行测试时，结果显示情况并非如此，粉碎了我们对现实的曲速引擎的最大希望。

实现现实的曲速飞行需要操纵能量场和航天器周围区域的时空曲率。通过压缩前方空间，同时牺牲后方空间，可以缩短起点和目的地之间的距离。

有没有不需要“新物理学”就能真正观察或测试引力排斥效应的情况？我们能否想象或创造某种结构，使引力实际上为负，而不是正？

是的，你可以设计一个。不要从空的空间开始，想象空间均匀地充满物质：就像一个巨大的完美流体。现在，想象一下在这种流体中，你有两种类型的“粒子”可以放下：

1. 正质量粒子，其密度大于流体的密度（例如，水等流体中的铅粒子），

2. 以及（实际上）负质量粒子，其密度低于流体的密度（例如，在水等流体中的实心壁气球或不透水气凝胶）。

在这种情况下，我们实际上可以观察到引力吸引和排斥。正如你所预料的：

· 两个正质量粒子相互吸引，

· 两个负质量粒子相互吸引，

· 但是一个正质量粒子和一个负质量粒子相互排斥。

不存在“根本”排斥力，但如果你用质量/能量填充你的宇宙，并有一个质量/能量较少的稳定区域，那么该区域的行为就像它具有负质量/能量一样，具有上面描述的精确结果。

如果你有一个均匀质量/能量的流体，其中的正质量将表现出引力吸引力，但较低密度、较低质量/能量的区域将表现得好像它具有负质量/能量，并且会受到引力排斥：但只是相对的，而不是绝对的。

然而，从根本上讲，不存在所谓的负质量/能量状态。通过测量宇宙常数（即暗能量的影响）可确定，空空间固有的总能量为正——很小，但大于零——并且你无法从空间中移除或带走任何东西来将该能量推至小于零（即负）的值。当然，你可以操纵空间以在一个区域创建比另一个区域更低的能量状态，并且你可以利用该现象创建一个有效的负（相对于平均质量/能量状态）能量区域，但它仍然是引力具有吸引力的区域。它只是比周围区域“吸引力更小”。

如果您的车里漂浮着一个氦气球，然后猛踩刹车，所有乘客都会向前猛冲，但气球会向后飘去。这并不是因为气球违反了牛顿“物体保持原有运动状态”的定律，而是因为车内（密度更大、更重）的空气比（密度更小、更轻）的氦气球“保持运动”的程度更大。这就是反重力存在的唯一意义，质量/能量低于平均值的物体可以表现得像负重力源：与“更正”的物体相比，它是负的。除非发现某种新物理学，表明负质量或负能量状态可以存在，否则反引力，至少在基本层面上，将仅仅是一种数学上的好奇心。