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    引力理論不可或缺,但它卻和量子理論相悖

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2019-02-25

    據國外媒體報道,愛因斯坦的廣義相對論已經有一百多年歷史了,但仍令物理學家頭痛不已。不僅因為愛因斯坦提出的等式極難解開,還因為該理論與另一項重大的物理學成就——量子理論相沖突。

    問題在于,粒子都具有量子性質。例如,它們可以同時身處兩地。這些粒子也擁有質量,有了質量就會有引力。但由于引力沒有量子性質,我們無法弄清一個處于量子疊加態的粒子的引力大小。為解決這一問題,物理學家需要建立起“量子引力”理論;亦或者,既然愛因斯坦提出引力其實是時空的彎曲,物理學家需要為時間和空間的量子性質建立起一套理論。

    即便對理論物理學家這樣的高智商人群來說,這也是個非常困難的問題。自上世紀30年代以來,物理學家就知道,量子引力對建立自然法則秩序來說不可或缺。但80年過后,人們仍未找到解決方案。主要障礙在于實驗指導的缺失。量子引力極為微弱,從未被人類探測到,因此物理學家只能依賴于數學,而在數學的迷宮中又極易迷失方向。

    人們之所以難以獲得量子引力的可觀測跡象,主要因為目前所有可能開展的實驗都不外乎兩類:要么用又小又輕的物體測量量子效應,要么用又大又重的物體測量引力效應。在這兩種情況下,量子引力效應都極其微弱。要想觀察到量子引力效應,就需要利用一個沉重的、但又有顯著量子性質的物體,而這種物體很難找到。

    物理學家倒是知道幾種具有較明顯量子引力效應的天然事件,但研究起來也不容易。在能量密度很大、時空彎曲很強的情況下,其實并不存在非量子化的引力。這里要說清楚一點:天體物理學家所謂的“強”時空彎曲,對量子引力研究者而言仍然很“弱”。黑洞尤其如此:黑洞事件視界處的時空彎曲仍不夠強,不足以產生顯著的量子引力效應。

    物理學家認為,只有在黑洞中央和宇宙大爆炸發生后不久,時空彎曲才能強到令廣義相對論失效。在這兩種情況下,被劇烈壓縮的物質密度極高、且存在顯著的量子行為,可以產生量子引力效應。但不幸的是,我們無法觀察黑洞內部。要想通過目前的觀測重建宇宙大爆炸當時的情況,也無法表現出量子引力行為。

    要想產生顯著的量子引力,應該還可以通過質心能量極高的粒子碰撞實現。如果有一臺足夠大的粒子對撞機(估測結果顯示,按照現有技術,這臺粒子對撞機需要有銀河系那么大),你就可以把足夠的能量集中在一小塊空間上、從而產生足夠強的時空彎曲。但這樣一臺對撞機可不是說造就造的。

    除了強時空彎曲外,還有另一種引力的量子效應可以被觀測到的情況,但這種情況常被人們忽視掉:創造沉重物體的量子疊加態。這會產生一種近似結果:物質具有了量子效應,但引力理論(即半經典限制)并不會失效,這樣便能體現引力真正的量子效應。目前有幾支實驗團隊正在嘗試實現這一機制,也許能借此探測到上述效應。不過他們還差著好多個數量級,所以離真正成功仍有一定距離。

    為何物理學家不對這種情況做進一步研究呢?很難解釋科學家為什么想做某件事、卻不去做另一件事。我們只能從理論角度猜測,這種情況也許并不是那么有趣。

    前文說過,物理學家還沒有量子引力理論,但這話并不全對。引力可以被量子化,上世紀60年代,理查德·費曼(Richard Feynman)和布萊斯·德維特(Bryce DeWitt)已經用普通的量子化方法進行了成功嘗試。但通過這種方式獲得的理論(微擾量子引力)在物理學家希望利用該理論的強彎曲機制中卻會失效(微擾不可重正性)。因此,該理論如今僅被視作一種完整量子引力理論在低能量下的近似情況(有效理論)。

    上世紀60年代時,幾乎所有量子引力研究都著重于發展并完善該理論。其中最著名的嘗試包括弦理論、圈量子理論、漸進安全、因果動力學三角剖分等等。然而,上述涉及到處于量子疊加態的沉重物體的情況都不包括強時空彎曲,因此也被歸入了自上世紀60年代以來提出的一系列缺乏趣味、可能已得到充分理解的一類理論之中。諷刺的是,出于這種原因,人們幾乎沒有從上述任何一種角度出發、為這類實驗提出過理論預測。

    目前該領域的大多數學者都認為,微擾量子引力一定是任何量子引力理論的低能量下限。但也有少數人堅決表示反對,理由有如下幾條。

    第一點從哲學角度出發。反對者認為,從概念上來說,我們不大可能從一套欠基礎的理論(量子引力)中衍生出一套更基礎的理論(非量子引力),因為就定義而言,衍生出的理論應當為欠基礎理論才對。確實,楊-米爾斯理論的量子化過程簡直是一場邏輯學噩夢。你先從一套非量子理論開始,再把這套理論搞得更加復雜、以此建立另一套理論。如果你再向新理論中引入經典限制條件,你得到的新理論無論如何也無法得到正確解讀。既然如此,你一開始又為何要從這里出發呢?

    答案也顯而易見:我們這樣做,是因為這么做有用;我們這樣做,是因為歷史上的意外,而不是因為這么做從道理上說得通。對務實的物理學家來說,這么做無可指摘。但要證明這種方法也可以應用于引力研究,還需要更令人信服的理由才行。

    另一種反對微擾量子化的觀點認為,你不可能通過使水量子化來研究原子物理。所以,如果你認為引力并不是一種基本相互作用,而是大量微觀成分的集合行為,那么將廣義相對論量子化就大錯特錯了。

    持這種觀點、即認為引力只是解釋一些未知微觀成分行為的綜合理論的人,其實是沿用了一種名叫“衍生引力”(emergent gravity)的概念。該理論支持者包括泰德·雅各布森(Ted Jacobson)、薩努·帕德曼納班(Thanu Padmanabhan)、以及埃里克·韋爾蘭德(Erik Verlinde)等人,他們認為引力法則可以被改寫成類似熱力學法則的形式。該領域的專家們對這種理論的態度仍然搖擺不定,有時認為這是“有史以來最驚人的想法”,有時則又認為“有點意思,但意義不大?!?

    但無論如何,如果你認為衍生引力是解決量子引力問題的正確思路,“就我們所知的引力理論在何種情況下會失效”這個問題就變得更復雜了。它在高度時空彎曲的情況下應當仍然會失效,但除此之外,也許還存在其它與廣義相對論相背離的情況。

    例如,韋爾蘭德認為暗物質和暗能量是量子引力的殘余物。如果你相信這一點,那我們就已經找到量子引力存在的證據了!還有人提出,如果時空由微觀成分構成,就應當具有黏性等整體性質,或產生雙折射、光色散等通常與晶體有關的效應。

    總結一下:該領域幾乎所有人都同意,在強時空彎曲的情況下,引力應當具有顯著的量子效應。部分量子引力理論認為,在長距離、低加速、或低能量狀態下也可能出現明顯偏離廣義相對論的情況。我們可以借助沉重物體的量子疊加態探測量子引力效應,但這種可能性常常被人們無視。

    希望在我們有生之年,科學家能夠找到量子引力的實驗證據。


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