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    引力理论不可或缺,但它却和量子理论相悖

    种别:社会新闻发布人:联迪发布时间:2019-02⑵5

    据国外媒体报导,爱因斯坦的广义相对论已有1百多年历史了,但仍令物理学家头痛不已。不但由于爱因斯坦提出的等式极难解开,还由于该理论与另1项重大的物理学成绩——量子理论相冲突。

    问题在于,粒子都具有量子性质。例如,它们可以同时身处两地。这些粒子也具有质量,有了质量就会有引力。但由于引力没有量子性质,我们没法弄清1个处于量子叠加态的粒子的引力大小。为解决这1问题,物理学家需要建立起“量子引力”理论;亦或,既然爱因斯坦提出引力实际上是时空的曲折,物理学家需要为时间和空间的量子性质建立起1套理论。

    即使对理论物理学家这样的高智商人群来讲,这也是个非常困难的问题。自上世纪30年代以来,物理学家就知道,量子引力对建立自然法则秩序来讲不可或缺。但80年过后,人们仍未找到解决方案。主要障碍在于实验指导的缺失。量子引力极其微弱,从未被人类探测到,因此物理学家只能依赖于数学,而在数学的迷宫中又极易迷失方向。

    人们之所以难以取得量子引力的可观测迹象,主要由于目前所有可能展开的实验都不外乎两类:要末用又小又轻的物体丈量量子效应,要末用又大又重的物体丈量引力效应。在这两种情况下,量子引力效应都极其微弱。要想视察到量子引力效应,就需要利用1个沉重的、但又有显著量子性质的物体,而这类物体很难找到。

    物理学家倒是知道几种具有较明显量子引力效应的天然事件,但研究起来也不容易。在能量密度很大、时空曲折很强的情况下,其实其实不存在非量子化的引力。这里要说清楚1点:天体物理学家所谓的“强”时空曲折,对量子引力研究者而言依然很“弱”。黑洞特别如此:黑洞事件视界处的时空曲折仍不够强,不足以产生显著的量子引力效应。

    物理学家认为,只有在黑洞中央和宇宙大爆炸产生后不久,时空曲折才能强到令广义相对论失效。在这两种情况下,被剧烈紧缩的物质密度极高、且存在显著的量子行动,可以产生量子引力效应。但不幸的是,我们没法视察黑洞内部。要想通过目前的观测重建宇宙大爆炸当时的情况,也没法表现出量子引力行动。

    要想产生显著的量子引力,应当还可以通过质心能量极高的粒子碰撞实现。如果有1台足够大的粒子对撞机(估测结果显示,依照现有技术,这台粒子对撞机需要有银河系那末大),你便可以够把足够的能量集中在1小块空间上、从而产生足够强的时空曲折。但这样1台对撞机可不是说造就造的。

    除强时空曲折外,还有另1种引力的量子效应可以被观测到的情况,但这类情况常被人们忽视掉:创造沉重物体的量子叠加态。这会产生1种近似结果:物质具有了量子效应,但引力理论(即半经典限制)其实不会失效,这样便能体现引力真实的量子效应。目前有几支实验团队正在尝试实现这1机制,或许能借此探测到上述效应。不过他们还差着好多个数量级,所以离真正成功仍有1定距离。

    为甚么物理学家不对这类情况做进1步研究呢?很难解释科学家为甚么想做某件事、却不去做另1件事。我们只能从理论角度猜想,这类情况或许其实不是那末有趣。

    前文说过,物理学家还没有量子引力理论,但这话其实不全对。引力可以被量子化,上世纪60年代,理查德·费曼(Richard Feynman)和布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)已用普通的量子化方法进行了成功尝试。但通过这类方式取得的理论(微扰量子引力)在物理学家希望利用该理论的强曲折机制中却会失效(微扰不可重正性)。因此,该理论如今仅被视作1种完全量子引力理论在低能量下的近似情况(有效理论)。

    上世纪60年代时,几近所有量子引力研究都侧重于发展并完善该理论。其中最著名的尝试包括弦理论、圈量子理论、渐进安全、因果动力学3角剖分等等。但是,上述触及到处于量子叠加态的沉重物体的情况都不包括强时空曲折,因此也被归入了自上世纪60年代以来提出的1系列缺少趣味、可能已得到充分理解的1类理论当中。讽刺的是,出于这类缘由,人们几近没有从上述任何1种角度动身、为这类实验提出过理论预测。

    目前该领域的大多数学者都认为,微扰量子引力1定是任何量子引力理论的低能量下限。但也有少数人坚决表示反对,理由有以下几条。

    第1点从哲学角度动身。反对者认为,从概念上来讲,我们不大可能从1套欠基础的理论(量子引力)中衍生出1套更基础的理论(非量子引力),由于就定义而言,衍生出的理论应当为欠基础理论才对。确切,杨-米尔斯理论的量子化进程简直是1场逻辑学噩梦。你先从1套非量子理论开始,再把这套理论弄得更加复杂、以此建立另1套理论。如果你再向新理论中引入经典限制条件,你得到的新理论不管如何也没法得到正确解读。既然如此,你1开始又为甚么要从这里动身呢?

    答案也不言而喻:我们这样做,是由于这么做有用;我们这样做,是由于历史上的意外,而不是由于这么做从道理上说得通。对务实的物理学家来讲,这么做无可指摘。但要证明这类方法也能够利用于引力研究,还需要更使人佩服的理由才行。

    另1种反对微扰量子化的观点认为,你不可能通过使水量子化来研究原子物理。所以,如果你认为引力其实不是1种基本相互作用,而是大量微观成份的集合行动,那末将广义相对论量子化就大错特错了。

    持这类观点、即认为引力只是解释1些未知微观成份行动的综公道论的人,实际上是沿用了1种名叫“衍生引力”(emergent gravity)的概念。该理论支持者包括泰德·雅各布森(Ted Jacobson)、萨努·帕德曼纳班(Thanu Padmanabhan)、和埃里克·韦尔兰德(Erik Verlinde)等人,他们认为引力法则可以被改写成类似热力学法则的情势。该领域的专家们对这类理论的态度依然摇摆不定,有时认为这是“有史以来最惊人的想法”,有时则又认为“有点意思,但意义不大。”

    但不管如何,如果你认为衍生引力是解决量子引力问题的正确思路,“就我们所知的引力理论在何种情况下会失效”这个问题就变得更复杂了。它在高度时空曲折的情况下应当依然会失效,但除此以外,或许还存在其它与广义相对论相背离的情况。

    例如,韦尔兰德认为暗物质和暗能量是量子引力的残余物。如果你相信这1点,那我们就已找到量子引力存在的证据了!还有人提出,如果时空由微观成份构成,就应当具有黏性等整体性质,或产生双折射、光色散等通常与晶体有关的效应。

    总结1下:该领域几近所有人都同意,在强时空曲折的情况下,引力应当具有显著的量子效应。部份量子引力理论认为,在长距离、低加速、或低能量状态下也可能出现明显偏离广义相对论的情况。我们可以借助沉重物体的量子叠加态探丈量子引力效应,但这类可能性常常被人们疏忽。

    希望在我们有生之年,科学家能够找到量子引力的实验证据。