引力子有質量嗎？
1.
1915年，愛因斯坦發表了著名的廣義相對論，將引力描述為空間和時間的扭曲。幾年後，物理學家發展了支配亞原子粒子世界的量子力學。這也最終使物理學家發現，自然界中的其他三種基本力其實是由載力粒子（稱為玻色子）的交換而產生的：電磁力是由光子傳遞的，膠子負責傳遞強核力，而弱核力的攜帶粒子則是W和Z玻色子。
因此，一個自然而然的問題是，引力是否也是由某種玻色子交換而產生的？物理學家在發展廣義相對論的量子化版本時，提出了一種全新的、零質量的負責傳遞引力的假想粒子——引力子。
如果想要檢驗引力子是否真的質量為零，一種方法是對太陽系中行星的運動進行詳細地觀測，以計算其質量上限。
2.
由於我們認為引力是以光速傳播的，因此引力子的質量（mg）應該為零，這是因為只有像光子這樣的零質量物體才能移動得那麼快。但如果引力子具有一個非常微小但非零的質量，那麼引力就會有一個有限的而不是無限的範圍，它可以通過引力子的康普頓波長（g） 來表示。通過對引力波的觀測表明，mg小於5×10?23eV，與之相應的g值至少為2.6×1013km。
另一種方法是通過研究宇宙膨脹的速度來尋找引力子的質量，這種方法將mg範圍限制在更小的值（約為10?32eV）。
物理學家們非常熱衷於搜索獨立的方法來估計引力子的質量上限。大約20年前，物理學家Clifford Will建議可以通過觀測太陽系中物體的運動來推斷mg的極限值，因為當引力子具有質量時，通過廣義相對論所預測出的行星軌道會出現偏差。
○ 根據廣義相對論，太陽和行星會讓時空（網格）扭曲。廣義相對論的標準量子化版本包含了一種可傳遞引力的零質量引力子（波浪線）。從廣義相對論預測的行星軌道的輕微偏差可以用非零的引力子質量來解釋。| 圖片來源：Y. Gominet / Paris Observatory / Physics
最近，Will將這種方法應用在了火星軌道的觀測上，並計算出mg的上限應介於5.6×10?2?eV和10?23eV之間。
3.
現在，巴黎天文台的研究人員Leo Bernus和他的團隊也進行了一個類似的研究，但他們使用的是一種規避了隱藏假設的方法，他們在分析中包含了更多的太陽系天體。
在將對行星軌道的觀測結果與從廣義相對論中推導出的預測結果進行對比之前，我們先要知道的是行星在某一特定時間的初始位置以及質量。研究人員必須根據觀測數據來擬合出一個軌道模型，從而獲得位置、質量等參數的信息。
但是如果這個擬合過程本身就不包含存在一個大質量引力子這種可能性，那麼通過擬合所得的參數就會偏向標準的相對論結果。因此，若想要得出一個允許非零質量的引力子的理論，那麼在確定質量和其他這些參數之前，就要將g作為一個可調節的參數加入擬合過程中。
4.
在新的分析中，Bernus等人使用一個名為INPOP17b的太陽系統模型，用它在不同的時間點預測太陽和行星的運動。他們採用的第一個時間點是2000年，從一個允許g為有限的測量的擬合中推導出太陽、行星、衛星以及許多小行星的位置、質量和速度。然後，他們運行了INPOP17b里的運動方程，分別在時間上向前滾動到2017年，向後退回到1913年。之所以選擇這個時間段是因為這個期間保存有良好的可用觀測數據。接著，研究人員再從觀測結果中尋找那些可能暗示著存在一個大質量引力子的不同之處。
在計算過程中，他們估算出g不得小於1.83×1013km，因此引力子的上限為6.76×10?23eV，這些數值結果與Will相差近10倍，但與使用引力波測量數據所得到的數值非常接近。Bernus表示，隨著獲得更多更好的太陽系的運動數據，引力子的質量上限將會得到越來越好的約束。
參考鏈接：
https://physics.aps.org/articles/v12/113
https://arxiv.org/pdf/1901.04307.pdf
