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    引力理论不可或缺,但它却和量子理论相悖

    类别:社会新闻发布人:联迪发布时间:2019-02-25

    据国外媒体报道,爱因斯坦的广义相对论已经有一百多年历史了,但仍令物理学家头痛不已。不仅因为爱因斯坦提出的等式极难解开,还因为该理论与另一项重大的物理学成就——量子理论相冲突。

    问题在于,粒子都具有量?#26377;?#36136;。例如,它们可以同时身处两地。这些粒?#21491;?#25317;有质量,有了质量就会有引力。但由于引力没有量?#26377;?#36136;,我们无法弄清一个处于量子叠加态的粒子的引力大小。为解决这一问题,物理学家需要建立起“量?#21491;?#21147;”理论;亦或者,?#28909;?#29233;因斯坦提出引力其实是时空的弯曲,物理学家需要为时间和空间的量?#26377;?#36136;建立起一套理论。

    即便对理论物理学家这样的高智商人群来说,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?#21491;?#21147;对建立自然法则秩序来说不可或缺。但80年过后,人们仍未?#19994;?#35299;决方案。主要障碍在于实验指导的缺失。量?#21491;?#21147;极为微弱,从未被人类探测到,因此物理学家只能?#35272;?#20110;数学,而在数学的迷宫中又极易迷失方向。

    人们之所以难以获得量?#21491;?#21147;的可观测迹象,主要因为目前所有可能开展的实验都不外乎两类:要么用?#20013;∮智?#30340;物体测量量?#26377;?#24212;,要么用又大又重的物体测量引力效应。在这两?#26234;?#20917;下,量?#21491;?#21147;效应?#25216;?#20854;微弱。要想观察到量?#21491;?#21147;效应,就需要利用一个沉重的、但又有显著量?#26377;?#36136;的物体,而这种物体很难?#19994;健?

    物理学家倒是知道几种具有?#21414;?#26174;量?#21491;?#21147;效应的天然事件,但研?#31185;?#26469;也不容易。在能量密度很大、时空弯曲很强的情况下,其实并不存在非量子化的引力。这里要说清楚一点:天体物理学家所谓的“强”时空弯曲,对量?#21491;?#21147;研究者而言仍然很“弱”。黑?#20174;?#20854;如此:黑洞事件视界处的时空弯曲仍不够强,不足以产生显著的量?#21491;?#21147;效应。

    物理学家认为,只有在黑洞中央和宇宙大爆炸发生后不久,时空弯曲才能强到令广义相对论失效。在这两?#26234;?#20917;下,被剧?#24050;?#32553;的物质密度极高、且存在显著的量?#26377;?#20026;,可以产生量?#21491;?#21147;效应。但不幸的是,我们无法观察黑洞内部。要想通过目前的观测重建宇宙大爆炸当时的情况,也无法表现出量?#21491;?#21147;行为。

    要想产生显著的量?#21491;?#21147;,应该还可以通过质心能量极高的粒子碰撞?#36842;幀?#22914;果有一台足够大的粒子对撞机(估测结果显示,按?#38556;?#26377;技术,这台粒子对撞机需要有银河系那么大),你就可?#22253;?#36275;够的能量集中在一小块空间上、从而产生足够强的时空弯曲。但这样一台对撞机可不是说造就造的。

    除了强时空弯曲外,还有另一种引力的量?#26377;?#24212;可以?#36824;?#27979;到的情况,但这?#26234;?#20917;常被人们忽视掉:创造沉重物体的量子叠加态。这会产生一种近?#24179;?#26524;:物质具有了量?#26377;?#24212;,但引力理论(即半经典限制)并不会失效,这样便能体现引力真正的量?#26377;?#24212;。目前有几支实验团队正在尝试?#36842;?#36825;一机制,也许能借此探测到上述效应。不过他们?#20849;?#30528;好多个数量级,所以离真正成功仍有一定距离。

    为何物理学家不对这?#26234;?#20917;做进一步研究呢?很难解释科学家为什么想做某件事、却不去做另一件事。我们只能从理论角度猜测,这?#26234;?#20917;也许并不是那么有趣。

    前文说过,物理学家还没有量?#21491;?#21147;理论,但这?#23433;?#19981;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)已经用普通的量子化方法进行了成功尝试。但通过这种方式获得的理论(微扰量?#21491;?#21147;)在物理学家希望利用该理论的强弯曲机制中却会失效(微扰不可重正性)。因此,该理论如今仅被视作一种完整量?#21491;?#21147;理论在低能量下的近似情况(有效理论)。

    上世纪60年代时,几乎所有量?#21491;?#21147;研究都着重于发?#20849;?#23436;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、因果动力学三角?#21490;?#31561;等。然而,上述涉及到处于量子叠加态的沉重物体的情况都不包括强时空弯曲,因此也?#36824;?#20837;了自上世纪60年代以来提出的一系列缺乏趣味、可能已得到充分理解的一类理论之中。讽刺的是,出于这种原因,人们几乎没有?#30001;?#36848;任何一种角度出发、为这类实验提出过理论预测。

    目?#26696;?#39046;域的大多数学者都认为,微扰量?#21491;?#21147;一定是任何量?#21491;?#21147;理论的低能量下限。但也有少数人坚决表示反对,理由有如下几条。

    第一点从哲学角度出发。反对者认为,从概念上来说,我们不大可能从一套欠基础的理论(量?#21491;?#21147;)中衍生出一套更基础的理论(非量?#21491;?#21147;),因为就定义而言,衍生出的理论应当为欠基础理论才对。确实,杨-米尔斯理论的量子化过程简直是一场逻辑学噩梦。你?#21364;?#19968;套非量子理论开始,再把这套理论搞得更加复杂、?#28304;?#24314;立另一套理论。如果你再向新理论中引入经典限制条件,你得到的新理论无论如?#25105;?#26080;法得到正确解读。?#28909;?#22914;此,你一开始又为?#25105;?#20174;这里出发呢?

    答案也显而易见:我们这样做,是因为这么做有用;我们这样做,是因为历史?#31995;?#24847;外,而不是因为这么做?#25317;览?#19978;说得通。对务实的物理学家来说,这么做无可指摘。但要证明这种方法?#37096;?#20197;应用于引力研究,还需要更令人信服的理由才行。

    另一?#22336;?#23545;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,如果你认为引力并不是一?#21482;?#26412;相互作用,而是大量微观成分的集合行为,那么将广义相对论量子化就大错特错了。

    持这种观点、即认为引力只是解释一些未知微观成?#20013;?#20026;的综合理论的人,其实是沿用了一?#32622;小把?#29983;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)、以及埃里克·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形式。该领域的专家们对这种理论的态度仍然摇摆不定,有时认为这是“有史以来最惊人的想法”,有时则?#31209;?#20026;“有点意?#36857;?#20294;意义不大。”

    但无论如何,如果你认为衍生引力是解决量?#21491;?#21147;问题的正确思路,“就我们所知的引力理论在何?#26234;?#20917;下会失效”这个问题就变得更复杂了。它在高度时空弯曲的情况下应当仍然会失效,但除此之外,也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?#21491;?#21147;的残余物。如果你相信这一点,那我们就已经?#19994;?#37327;?#21491;?#21147;存在的证据了!还有人提出,如果时空由微观成分构成,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。

    总结一下:该领域几乎所有人都同意,在强时空弯曲的情况下,引力应当具有显著的量?#26377;?#24212;。部分量?#21491;?#21147;理论认为,在长距离、低加速、或低能量状态下?#37096;?#33021;出?#32622;饗云?#31163;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测量?#21491;?#21147;效应,但这种可能性常常被人们无视。

    希望在我们有生之年,科学家能够?#19994;?#37327;?#21491;?#21147;的实验证据。


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